低频功率放大器的设计与制作.docx
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低频功率放大器的设计与制作
金华职业技术学院
JINHUACOLLEGEOFVOCATIONANDTECHNOLOGY
毕业教学环节成果
（2010届）
题目低频功率放大器的设计与制作
学院信息工程学院
专业电气自动化技术
班级自动化071
学号200731010350149
姓名叶杰
指导教师楼蔚松
2010年6月8日
理工类
金华职业技术学院毕业教学成果
目录
摘要1
英文摘要1
引言2
1低频功率放大器概述3
1.1低频功率放大器的基本要求3
1.2低频功率放大器的分类4
1.2.1以晶体管的静态工作点分类4
1.2.2以功率放大器与负载之间的耦合方式分类5
1.2.3功率管的安全使用知识6
1.3功率放大电路的主要特点7
2低频功率放大器的设计8
2.1低频功率放大器设计的内容任务指标8
2.2系统总体设计方案8
3各模块方案选择和论证9
3.1信号放大电路设计9
3.2功率放大电路设计10
4系统硬件电路的设计11
4.1主电路原理图11
4.2电路设计分析11
4.2.1前置放大电路11
4.2.2二级放大11
4.2.3推挽式功率放大级13
4.3PCB电路版设计与排版14
4.4系统测试15
4.4.1调试仪器15
4.4.2放大倍数的测试16
4.4.3通频带的测试16
结论与谢辞17
参考文献18
附件1.硬件电路图19
附件2.PCB排版20
附件3.元器件清单21
低频功率放大器的设计与制作
信息工程学院电气自动化专业叶杰
摘要:
低频功率放大器简称功放，它是各类音响器材中最大的一个家族。
目前低频功率放大器主要由分立元件组成或集成模块组成，由分立元件组成的功放，电路结构复杂，自动调节能力强，由集成模块组成的功放，可减少信号失真，但调节能力有限。
这次设计在放大部分运用了二级放大，一级放大是通过AD620实现的，二级放大是通过NE5532实现的，功率放大部分是用TIP41C和TIP42C功率管实现的，最后再把输出功率输出到一个5瓦8欧姆的喇叭（负载）上。
关键词:
低频功率放大器TIP41CTIP42CAD620
DesignofPracticalLowFrequencyPowerAmplifier
（MajorofElectricAutomatizationTechnology,InformationandEngineeringcollege,JinHuaCollegeofVocationAndTechnology,YeJie）
Abstract:
PAshortamplifiercanbesaidthatthevarioustypesofaudioequipmentinoneofthebiggestofthefamily.Atpresentpoweramplificationbydiscretecomponents,orcompleteIntegratedtypeoutputfromtheamplifiercomposedofdiscretecomponents,circuitstructureisComplex,Theelectriccircuitstructureiscomplex,Automaticcontrolability,fromtheIntegratedtypeoutputamplifiercanreducethesignaldistortion,Butadjustslimitedly.Inthedesignofmagnify,firstlywemakethe1stmagnifystepbyAD620,thenmakesecondstepmagnifybyNE5532,andthenmagnifythepowerbyusingthepowertubeofTIP41CandTIP42C,lastlytransfertheouputpowertoatrumpetwhichhasthepower5wattandtheresistance8ohm.
Keywords:
Low-frequencyPowerAmplifierTIP41CTIP42CAD620
引言
随着电子技术和计算机技术的飞速发展，现代电子线路的设计也越来越离不开计算机辅助设计和仿真分析的支持，而用电路元器件参数性能指标是更为便捷的一种方法，在理论上设计开发出合理且高性能的电路、PCB板，才能在提高电路性能的同时降低生产成本。
功率放大器不仅仅是消费产品中不可缺少的产品，还广泛应用于控制系统和测量系统中。
低频功率放大是一个已经相当成熟的技术，几十年来，人们为此不懈努力,无论从线路技术还是元器件方面,乃至思想认识上都取得了长足的进步。
尽管目前市场上的功放产品价格已经很低，但少则几百元、多则几千元的价格还是让人有些不舍，本次设计给出一种简单实用、制作成本低廉的低频功率放大器的设计方案，本设计具有功耗低，性价比高，稳定性好，应用广泛的优点。
在模拟电子线路中信号经过放大后，往往要去推动执行机构完成人们所预期的功能，例如推动喇叭发出声音，推动继电器实现控制等等。
这些执行机构是把电能转换成其他形式能量的器件，他们正常工作需要从电路中获取较大的能量。
所以放大电路的末级多有功率放大器组成，以便为负载提供足够的信号功率。
本次课程设计的就是简易低频功率放大器。
随着现代社会电子科技的迅速发展，要求我们要理论联系实际，电子技术课程设计的进行使我们有了这个非常重要的机会，通过这种综合性训练，要求我们达到以下目的和要求：
（1）结合课程中所学到的理论知识，独立设计方案。
（2）学会查阅相关手册与资料，通过查阅手册和文献资料，进一步熟悉常用电子器件类型和特性，并掌握合理选用的原则，培养独立分析与解决问题的能力。
这次课程设计是对我们所学习的电子技术的一次实际应用,也是对我们所学知识的一次练习和提高。
1低频功率放大器概述
1.1低频功率放大器的基本要求
功率放大器和电压放大器是有区别的，电压放大器的主要任务是把微弱的电压信号进行放大，一般输入和输出的电流都比较小，用于增强电压或电流的幅度，是小信号放大器。
它消耗能量少，信号失真小，输出信号的功率小。
功率放大器的主要任务是输出大的信号功率，它的输入、输出电压和电流都较大，是大信号放大器。
它消耗能量多，信号容易失真，输出信号的功率大。
这就决定了一个性能良好的功率放大器应满足下列几点基本要求：
（1）具有足够大的输出功率。
为了得到足够大的输出功率，功率管工作时的电压和电流应尽可能接近极限参数。
（2）效率要高。
功率放大器是利用晶体管的电流控制作用，把电源的直流功率转换成交流信号功率输出，由于晶体管有一定的内阻，所以它会有一定的功率损耗。
我们把负载获得的功率Po与电源提供的功率PE之比定义为功率放大电路的转换效率η，用公式表示为：
η＝
×100%
显然，功率放大电路的转换效率越高越好。
（3）非线性失真要小
功率大、动态范围大，由晶体管的非线性引起的失真也大。
因此提高输出功率与减少非线性失真是有矛盾的，但是依然要设法尽可能减小非线性失真。
（4）功放管的散热和保护性能要好。
在功率放大电路中功放管承受着高电压大电流，其本身的管耗也大，在工作时，管耗产生的热量使功放管温度升高，当温度太高时，功放管容易老化，甚至损坏。
通常把功放管做成金属外壳，并加装散热片。
同时，功放管承受的电压高、电流大，这样损坏的可能性也比较大，所以常采取过载保护措施。
1.2低频功率放大器的分类
1.2.1以晶体管的静态工作点分类
常见的功率放大器按晶体管静态工作点Q在交流负载线上的位置不同,可分为甲类、乙类和甲乙类3种，如图1-1所示。
（a）甲类功放的输出波形 （b）乙类功放的输出波形 （c）甲乙类功放的输出波形
（d）3种工作状态下对应的工作点位置
图1-1功率放大器的3种工作状态
（1）甲类功率放大器
工作在甲类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在交流负载线的中点附近，如图1-1（d）所示。
在输入信号的整个周期内，晶体管都处于放大区内，输出的是没有削波失真的完整信号，如图1-1（a）所示它允许输入信号的动态范围较大，但其静态电流大、损耗大、效率低。
（2）乙类功率放大器
工作在乙类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在晶体管放大区和截止区的交界处，如图1-1（d）所示。
在输入信号的整个周期内，三极管半个周期工作在放大区，半个周期工作在截止区，放大器只有半波输出，如图1-1（b）所示。
乙类工作状态的静态电流为零，故损耗小、效率高，但非线性失真太大。
如果采用两个不同类型的晶体管组合起来交替工作，则可以放大输出完整的不失真的全波信号。
（3）甲乙类功率放大器
工作在甲乙类工作状态的晶体管，静态工作点Q选在甲类和乙类之间，如图1-1（d）所示。
在输入信号的一个周期内，晶体管有时工作在放大区，有时工作在截止区，其输出为单边失真的信号，如图1-1（c）所示。
甲乙类工作状态的电流较小，效率也比较高。
1.2.2以功率放大器与负载之间的耦合方式分类
（1）有输出变压器功放电路。
（2）无输出变压器功放电路（又称OTL功放电路）。
OTL功率放大器结构简单，但在使用中必须采用双电源供电，这样造成在有些场合使用不方便。
单电源供电的互补对称功率放大器，能弥补这一不足。
如图1-2所示。
这样电路的输出通过电容C2耦合，不用输出变压器，因而称为无输出变压器功率放大器，简称OTL功率放大器。
图1-2OTL功率放大器
（3）无输出电容器功放电路（又称OCL功放电路）。
如图1-3所示为OCL功率放大器，该电路是由两个射极输出器组成。
图中，信号从基极输入，从射极输出，RL为负载，输出端没有耦合电容。
故称为无输出电容的功率放大器，简称OCL电路。
图1-3OCL功率放大器原理图
（4）桥接无输出变压器功放电路（又称BTL功放电路）。
BTL功率放大器是桥接式推挽电路的简称。
也叫双端推挽电路，它是在OCL、OTL功放的基础上发展起来的一种功放电路。
如图1-4所示，是BTL电路的原理图，4个功放管连接成电桥形式，负载电阻RL不接地，而是接在电桥的对角线上。
图1-4BTL功率放大器原理图
1.2.3功率管的安全使用知识
就功率管而言，为了保证其安全运用，必须做到以下几个方面：
（1）避免发生集电结的击穿。
（2）避免集电结过热，集电极的功率损耗应低于最大容许值PCM。
晶体管的集电极容许损耗PCM不是一个固定不变的值，它和器件的散热情况有关，根据环境温度和器件的散热装置不同而有所不同。
（3）功率管在工作时不能进入二次击穿区。
1.3功率放大电路的主要特点
基于输出较大功率的基本任务，对功率放大电路的讨论主要针对以下几个方面：
（1）大信号工作状态
为输出足够大的功率，功率放大电路的输出电压、电流幅度都比较大，因此，功率放大管的动态工作范围很大，功放管中的电压、电流信号都是大信号状态，一般以不超过晶体管的极限参数为限度。
（2）非线性失真问题
由于功放管的非线性，功率放大电路又工作在大信号工作状态，必然导致工作过程中会产生较大的非线性失真。
输出功率越大，电压和电流的幅度就越大，信号的非线性失真就越严重。
因而如何减小非线性失真是功率放大电路的一个重要问题。
（3）提高功率放大电路的效率、降低功放管的管耗
从能量转换的观点来看，功率放大电路提供给负载的交流功率是在输入交流信号的控制下将直流电源提供的能量转换成交流能量而来的。
任何电路都只能将直流电能的一部分转换成交流能量输出，其余的部分主要是以热量的形式损耗在电路内部的功放管和电阻上，主要是功放管的损耗。
对于同样功率的直流电能，转换成的交流输出能量越多，功率放大电路的效率就越高。
因为功率大，所以效率的问题就变得十分重要，否则，不仅会带来能源的浪费，还会引起功放管的发热而损毁。
2低频功率放大器的设计
2.1课题的主要内容和任务指标
本设计将由直流稳压电源、电压放大电路、功率放大级电路三部分组成完成了一个低频功率放大器，实现了30mV正弦信号电压有效值输入，在8Ω电阻负载上输出功率大于5W的功率效果，输出波形无明显失真。
显示的通频带范围在为100Hz～20kHz，输出的噪声电压有效值要小于等于5mV，在通频带内低频功率放大器失真度要小于1%。
功放的信号放大部分采用AD620和NE5532两级进行放大，功率放大部分采用分立元件进行推挽式功率放大。
2.2系统总体设计方案
根据设计要求可知，系统包含信号放大模块、功率放大模块、电阻负载等组成。
系统框图如图2-1所示。
图2-1系统总体框图
由信号放大电路对输入信号源进行电压放大，再由功率放大电路进行功率放大，把放大的功率输出到负载上。
3各模块方案选择和论证
3.1信号放大电路设计
方案一：
采用NE5532作信号放大
NE5532是高性能低噪声运放，与很多标准运放（如1458）相似，它具有较好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号与电源带宽。
可以用多个5532来逐级放大信号，最后通过一个推挽电路来实现功率放大。
如图3-1所示是NE5532的引脚图。
图3-1NE5532引脚图
方案二：
采用AD620作信号放大
AD620是一款单芯片仪表放大器，不仅具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性，还具有高精度、低失调电压和低失调漂移特性，是采用经典的三级运放改造设计。
通过整片内阻的绝对值，只需一个电阻便可实现对增益的精确编程（G=100时精度可达0.15%）。
它特别适合做小信号的前置放大级，经AD620放大后的小信号失真度很小，加一级AD620组成的前置放大，同样可以把系统误差控制在系统设计要求的范围内。
其管脚如图3-2所示，其中RG端为外接电阻端，通过其调节电压增益；+IN、-IN分别为差分器输入的同相端和反相端；+Vs、-Vs分别为正负电源端；OUTPUT为信号输出端；REF为输出参考电源端。
图3-2AD620引脚图
由于AD620的性能更加完善，所以在前级信号放大电路中，可以采用一个AD620来代替NE5532进行小信号放大。
后级电路放大仍然采用NE5532和推挽电路来进行放大。
介于两种方案的有缺点，决定采用两种方案相结合的方式。
3.2功率放大电路设计
方案一：
分立元件构成的推挽功率放大器
采用分立元件功率管组成的放大电路，其外围元件多，调试时有比较大的难度，系统静态工作点不稳定。
但是功率放大倍数和通频带容易调整。
系统的测试点容易设置。
方案二：
集成功率放大器
集成功率放大器内部一般有前置级、中间级、输出级及偏置电路等组成，集成功放的输出级输出功率大、效率高、稳定性高。
同时为了保证在大功率状态下安全可靠工作，集成功放中还常设有过流、过压以及过热保护等电路。
常用的集成功率放大器有TDA7294。
本系统要求功率放大部分采用分立元件进行设计，结合系统的具体需求，决定采用方案一来完成功率放大电路设计。
它由NE5532信号放大和推挽功率放大电路所构成的，信号在AD620一级放大后再通过进入NE5532的二级放大，再由推挽电路进行功率放大。
4系统硬件电路的设计
4.1主电路原理图
在J1中输入电源信号，在AD620中进行一级放大，放大的倍数由图4-1中的可调电阻器R5的进行选择放大，再通过进入NE5532的二级放大,在NE5532的6，7管脚接的电容C10主要是用来滤波的，放大的电压产生的电流，电流通过C12和C15、R16和R36滤波之后进入Q7和Q2进行共集电极推挽式的电流放大，放大的电流通过R19和R25产生电压进入Q3和Q4的形成一个共发射极的推挽式小功率放大，再进入Q6（TIP41C）和Q5（TIP42C）功率管进行功率放大，最后再把输出功率输出到J2,在功率放大输出后有信号负反馈回二级放大电路，从而使信号处于稳定状态，在J2输出的地方接一个5瓦8欧姆的喇叭（负载）。
4.2电路设计分析
4.2.1前置放大电路
由于正弦信号发生器的输出信号峰峰值在2V左右，和网络负载串联的取样电阻上的电压降很小，要对取样后的信号进行放大。
运用两级放大，前置放大级使用AD620。
AD620是一种低功耗的仪用放大器，特别适合做小信号的前置放大级，经AD620放大后的小信号失真度很小，加一级AD620组成的前置放大，同样可以把系统误差控制在系统设计要求的范围内，前置放大电路如图4-2所示。
在前置放大部分的放大倍数公式是：
G=1+（49.4kΩ/Rg），G为放大的倍数，Rg是图4-2中的R5（在0-100k的可调电阻）。
在此电路中把Rg调到1K时输出的倍数最大为50倍，输出电压在2V左右。
4.2.2二级放大
二级放大电路如图4-3所示，在经过一级放大之后电压进入二级放大区，二级放大主要有NE5532来实现的，6，7管脚接的电容C10是用来滤波的，6管脚和5管脚形成一个“虚断”，所以几乎无电流，根据运放输入端“虚断”，可知in＝0，因此i1＝if，所以由此可得：
，在功率放大中反馈回来的电压和进入5号管脚的电压比较可以设定参数进行放大，而C11和C18是用来调节频率参数的。
经过计算此放大电路的倍数为4倍。
图4-1设计电路原理图
图4-2前置放大图
图4-3二级放大图
4.2.3推挽式功率放大级
在上述放大器的比较中可以看出甲类放大的特点是波形失真小，但由于静态工作点电流大，故管耗大，放大电路效率低，所以它主要用于小功率放大电路中。
乙类与甲乙类放大由于管耗小，放大电路效率高，在功率放大电路中获得广泛应用。
由于乙类与甲乙类放大输出波形失真严重，所以在实际电路中均采用两管轮流导通的推挽电路（如图4-4所示）来减小失真。
经过二级放大的电流通过C12和C15、R16和R36滤波之后进入Q7和Q2进行共集电极，推挽式的电流放大，放大的电流通过R19和R25形成电压信号进入Q3和Q4的形成一个共发射极的推挽式小功率放大，再进入Q6（TIP41C）和Q5（TIP42C）的大功率放大之后再把输出功率输出到J2。
图4-5是推挽式功率放大器的偏置电路主要用来稳定电压，保持偏置电压在0.7-1V左右。
图4-4推挽功率放大图
图4-5偏置电路
4.3PCB电路板设计与排版
在PCB设计时，首先要考虑PCB尺寸大小。
PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。
在确定PCB尺（宽2740mil，长3340mil）寸后．再确定特殊元件的位置。
最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。
布好局之后再进行布线（线宽50mil），然后再对焊盘大小进行设置（90mil），焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些，焊盘太大易形成虚焊。
本课题设计的PCB电路板如图4-6所示：
图4-6PCB示意图
4.4系统测试
4.4.1调试仪器
表4-1测试仪器设备
仪器名称
型号
指标
生产商
数量
信号源
VC2002
2MHZ
胜利仪器仪表厂
1
直流稳压电源
LWPS305DM
30V5A
香港龙威
1
示波器
TD220
100M
Telcronix公司
1
万用表
DT-9204
3位半
深圳弘大电子有限公司
2
4.4.2放大倍数的测试
以1000Hz信号输入，功率放大器放大倍数情况如下表所示：
表4-2功率放大倍数表
输入（mv）
输出（峰峰值V）
功率（mw）
效率（%）
直流电源供给功率（mw）
失真情况
30
2.06
122
57
793
良好
40
2.86
764
45
1584
良好
50
3.6
1034
61
3072
良好
60
4.48
1445
73
4140
良好
70
5.28
2257
80
5520
良好
说明：
调试过程中，在未接带阻滤波器时，输入30mv到50mv的电压，波形的失真状况是最好的，接上带阻滤波器后，输入30mv到70mv的电压，波形的失真状况都是良好的。
测试结果分析：
测试结果跟计算值相差不大，满足输出大于或等于5W的要求。
4.4.3通频带的测试
根据通频带的定义，放大倍数下降到0.7
时的低端频率和高端频率范围称为放大电路通频带。
即：
BW=fH-fL.
30mv正弦信号输入，通频带的情况：
表4-3通频带表
输入（hz）
失真情况
100
良好
500
良好
1K
良好
10K
有部分失真
50K
波形下半周有失真
100K
有失真
说明：
当输入信号是100hz到1khz时，波形是最好的，到50khz时下半周有高频杂波窜入，100khz时，波形稍微有点失真。
结论与谢辞
大学三年的生活即将在这最后的毕业设计总结后划上一个圆满的句号。
我曾经以为时间是一个不快不慢的东西,但现在我感到时间过的是多么的飞快,三年,感觉就在一眨眼之间结束了我的大学生涯。
毕业，最重要的一个过程,最能把理论知识运用到实践当中的过程就数毕业设计了，而且我的毕业设计也要有实物的。
通过这段时间的毕业设计使我学到了很多东西，那是课本上没有的。
对我的技术有很大的提高，也增加了很多的经验，增强了技能。
我的毕业设计是自己选择再经过老师允许才选题的，因为我们专业对动手操作的要求是比较高的，所以我还是选择了一个以实物为主的课题。
在拿到课题时还是很迷茫，因为连要求也不是很明确，只有大概的范围，就只有自己多查资料和问老师，在开题报告的时候我走了很多的弯路，竟然把软件部分也搞上去了。
在老师讲解之后我知道自己只要做硬件部分就好了，可是马上碰到了设计电路方面的难题了，电路图是我设计的灵魂，没它我做不了实物，所以我在选择做放大电路材料和方法上查阅了很多的资料，在一个个小的电路图模块中慢慢的把它们拼凑起来，黄天不负苦心人，渐渐的我的电路原理图设计出来了，在老师的帮助下我终于把原理图画好了，之后我就在PCB的软件上导进去电路图，开始排版设计，最后就是领元器件、刻版、焊接。
这次设计在感谢老师的同时我还要感谢在我碰到困难时帮助过我的同学、朋友，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们的帮助和支持，在此我表示深深地谢意。
这也是我们从学校走向社会的一个转折，另一个生命历程的开始。
毕业设计的几个月,我学到了很多,也成熟了很多。
参考文献
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