BJT功能率放大器分析.docx
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BJT功能率放大器分析
模拟电子技术课程设计
课题：
BJT功能放大器
系
别：
电气与电子工程系
专
业：
电气工程及其自动化
姓
名：
代志浩
学
号：
181415210
指导教师：
李慧
河南城建学院
2012年9月3日
、设计目的
1、以电子技术基础的基本理论为指导，将设计实验分为基础型和系统型两个层次，基础型指基本单元电路设计与调试，系统型指若干个模拟基本单元电路组成并完成特定功能的电子电路的设计、调试。
2、拓展电子电路的应用领域，能设计、制作出满足一定性能指标或特定功能的电子电路设计任务。
二、设计要求
1、熟悉常用电子仪器操作使用和测试方法。
2、学习计算机软件辅助电路设计方法，能熟练应用EWB仿真软件辅助设计。
3、学习电子系统电路的安装调试技术。
三、总体设计
1、设计的总体原理框图
现如今，随着社会的不断发展与进步，物质文明已经充分的满足人们的需要了，而精神文明成为了生活中的难题，在满足他们视野的同时，耳朵也需要满足，这就需要人类发挥它们的聪明才智，发明一种功率放大器。
由于以前所遇到的功率放大器是不能满足需要，它们基本上都是小信号放大电路，并且主要用于增强信号的幅度，也就是说它不能放大声音，不能驱动负载。
例如共射级放大电路、共集电级放大电路、共基级放大电路、场效应放大电路等等。
但在实际应用中，许多电子设备都需要输出足够的功率来驱动负载，例如扬声器、执行电动机等等。
因此放大电路的末级一般采用能够输出足够功率的功率放大器。
下面说明我的设计方案：
实际应用中的放大电路是有前置放大电路和功率放大电路组成，如上图所示。
前置放大电路由多级放大电路或单级放大电路组成，工作于小信号状态，起作用是输出足够大幅度的信号电压或电流；而功率放大器的主要作用是输出足够大的功率，通常工作在大信号状态。
此次的设计只涉及第三步的功率放大电路。
四、各部分电路设计
（一）、功率放大电路工作状态的选择
功率放大电路按功放的工作状态不同可分为甲类、乙类、丙类和甲乙类。
1）甲类
功放管在整个信号周期全导通，导通角为360度，静态工作点Q位置适中,如图
功放电路工作在甲类状态时，只要功放管不进入饱和区或截止区，非线性失
真最小。
但由于甲类功放静态工作点设置在负载线的中央，静态耗能很大。
既无
信号输入时，静态集电极电流很大，管耗很大。
对音响功放电路来说，无声音时，
功耗和管耗很大，是很不合理的。
因此甲类功放电路的致命缺点是效率低，最大效率在理想情况下只有百分之50。
2）乙类
功放管在整个信号周期内只有半个周期导通，导通角为180度，静态工作点Q在截至区，如图所示
功放管工作在乙类状态时，输出信号只有一半，失真严重。
若两个功放管在正负半周期轮流工作，然后将两个半波拼接，失真严重的问题就明显解决了。
乙类状态的最大优点是静态功耗为0。
因其静态集电极电流为0,因此无信号输入时，功放管管耗为0.两个功放管拼接的乙类功放电路最大效率在理想情况下可达百分之78.5。
3）甲乙类
由上可知，既要提高功放效率，又要减小非线性失真，这是一对矛盾。
理想的选择是乙类状态，用两个功放管在正负半周轮流工作，输出两个半波信号组成一个完整信号。
但由于三极管存在导通死区，在信号小于死区电压时，会产生截止失真，此种情况主要发生在两个功放管交替工作的瞬间，这种失真称为交越失
真。
解决这一问题的方法是给功放管设置一定静态偏流但这种静态偏置绝不是甲类状态中的偏置，Q点应设置在靠近截止区的边缘，一般，设置功放管静态集电极电流2――4毫安为宜。
这种介于甲乙之间，成为甲乙类工作状态，因其偏向乙类，所以用乙类状态分析。
以上终结可得：
状态
一个信号周期内导通时间
工作特点
图示
9
整个周期内导通
失真小，静态电流大，管耗大，效率低。
/M厂
甲类
<0
11
iIL
江2k（St
半个周期内导失真大，静态电流为零，管耗小，效通率咼。
甲乙半个多周期内失真大，静态电流小，管耗小，效类导通率较高。
在上述的电路之中似乎都有缺陷，以下还有一种，是对乙电路的一种改进,那就是互补对称电路。
（二八互补对称电路所选工作状态:
互补对称由两类不同的NPN型和PNF型的功放管组成，要求两个功放管参数致，因此称为互补对称功放电路。
1、工作原理
由于电路对称，静态时，UA=O设输入信号为正弦波，当输入信号正半周时，T1导通，T2截止；输入信号负半周时，T2导各自工作在乙类状态，两管轮流工作在负载上流过一个完整的正弦波电流信号。
2、输出特性曲线的合成
因为输出信号是两管共同作用的结果，所以将「、T2合成一个能反映输出
信号和通过负载的电流的特性曲线。
合成时考虑到：
（1）Vi=0时,VCEQ=V：
c，-VCEQ=V：
c，因止匕Qi=Q。
（2）由流过R-的电流方向知ici与ic2方向相反。
即两个纵坐标轴相反。
（3）特性的横坐标应符合：
Vce+Vec2=Vx-（-Vcc）=2Vcc
VCE1的原点与-vCE2=2Uc点重合；-vCE2的原点与+VCE=2Mc点重合。
由以上三点，得两管的合成曲线如图5.6所示。
这时负载线过仏点形成一条斜线，其斜率为-/Rl。
显然，允许的ic的最大变化范围为21呵vce的变化范围为2（VCuVces）=2Vcem=2IJR。
如果忽略BJT的饱和压降VCes,心1JR_〜Vcc。
3、计算输出功率Po
在输入正弦信号幅度足够的前提下，即能驱使工作点沿负载线在截止点与临界饱和点之间移动。
如图5.6所示波形。
输出功率用输出电压有效值V）和输出
VI1P=vJ=■£"如=~v1
电流I0的乘积来表示。
设输出电压的幅值为Vom,贝U■-■-
P广空
这恰好是图5.6中厶ABQ勺面积。
因为l°m=VURL,所以'■:
图5.5中的Ti、T2可以看成工作在射极输出器状态，A/-1。
当输入信号足够大，使Vim=Vom=Vcem=VccVCES~VCC和Ior=lcm时，可获得最大的输出功率
由上述对Po的讨论可知，要提供放大器的输出功率，可以增大电源电压VCC
或降低负载阻抗R。
但必须正确选择功率三极管的参数和施加必要的散热条件，以保证其安全工作。
4、BJT的管耗FT
丄加—）&
—sin祖一乩刃I?
呻3）rlE
5、电源提供的功率
若"叫弩
6、效率n
7--^78.5%
4
（三）功率BJT的选择
最大管耗和最大输出功率的关系
*P—]_（比）
"匕加4
-&珀__J_t^cc__N）兀一瓦丁~
卩*V
贝H鸟二=0加2
故%=
2乙
竺竺56乙兀
上式表明：
当0.6VCc时，BJT具有最大的管耗,
因此，功率三极管的选择应满足以下条件
①2弓22砒
五、设计的整体电路图
1、所设计的功放电路的原理与OTL的原理相似，这里只介绍OTL功放电路如图所示：
图示是互补对称式OTL功放电原理图。
它具有非线性失真小，频率响应宽，电路性能指标较高等优点，是目前OTL电路在各种高保真放大器应用电路中较为广泛采用的电路之一。
工作原理：
Q1是前置放大管，采用NPN型硅管，温度稳定性较好。
要降低噪声，就要从前级做起，否则，噪声会经后级放大，变得很明显。
这里最主要是要避免从基极引入噪声。
本电路中，Q1的基极偏置电源由D1、D2稳压得到，进一步提高了稳定性。
发射极电阻R4的阻值很小，对稳定静态工作点的作用不大，其主要起交流负反馈作用。
Q2是激励放大管，它给功放级足够的推动信号，输入信号经Q1、Q2两级放
大后，具备了驱动Q3Q4（输出级）的能力。
R9W2R10是Q2的偏置电阻，R6R7、D3D4是Q2的集电极负载电阻。
Q3、Q4是末级互补输出对管，该管主要是为了给喇叭提供足够大的驱动电流，Q3Q4的放大倍数应尽可能一致，这样才可以保证输出信号的正负半周信号对称，让失真更小。
互补对管的意思是指一个管是NPN型，一个管是PNP型。
D3和D4R6和R7、Q2的CE极三部分共同组成Q3Q4的偏置电路，保证Q3
Q4在无信号时输出中点电压。
D3和D4的作用就是保证给Q3Q4基极提供一个相对稳定的1.2V左右的电压，D3和D4千万不能开路，否则Q3Q4会有很大的基极电流，导致Q3Q4的集电极电流剧增，立即发热烧坏。
但是，D3和D4的分压也不能太低，否则，在小信号时会听出明显的截止失直（和交越失真相同）。
注意：
这种失真只在小信号时才有明显的反应。
在高档功放电路中，D3和D4会
用其它元件代替，同时还会引入温度补偿。
C8是自举电容。
当信号正半周时，Q3基极电压上升，由于R6R7两端的电压变小，不能给Q3提供足够大的基极电流，电流输出能力急剧下降，造成信号顶部失真（这种失真只会在大信号时才会发生。
）由于自举电容的出现，Q3发射极电压升高时会将C8的正极电位举高，高于电源电压，这就可以通过R7给Q3提供较大的基极电流。
C3C12C6是电源低频滤波电容，主要作用是滤除电源交流声，同时给交流信号提供电流回路，容量应该取得比较大，这样才有较好的效果！
C11是电源高频滤波电容，主要作用是滤除高频杂音，同时也可以给高频交流信号提供电流回路，让高音效果改善。
该电容建议选择涤纶电容或者金属膜电容，容量在473-474之间，要求不高时，也可以用陶瓷电容代替。
C9是输出耦合电容。
有音频信号输入时，Q3Q4的发射极电压会大幅度变化的信号，这个信号中有一个直流分压存在，不能直接加到喇叭上，必须经过一个隔直流通交流的电容隔开。
注意：
电解电容都是有极性的，正极接在高电压的那端。
R8和C10组成输出高频补偿电路。
R8取值应在1-10之间，不能太小，否则，相当于高频对地短路了；也不能太大，否则，C9就起不到应有的作用。
C10是输出高频补偿电容。
对于高频信号来说，喇叭的等效阻抗要比低频高得多，同时高频信号更容易通过分布电容向四处传输，这很可能让电路产生高频信号正反馈，产生高频振荡或者寄生振荡，从而影响音质。
因此，C10可以让电
路在高频时的输出阻抗也得以降低，防止信号非正常的反馈，使整个电路进入平衡稳定的工作状态。
实际上应用中，该电容对音质影响较大，特别是在一些高档功放中（含集成电路功放），有的电路中如果没有这个电容，甚至完全无法工作。
该电容一般取值在104-204之间，并且一般都要串联一个1-10欧姆的电阻。
2、设计的电路:
电路仿真
vcc
!
>R3
>20kD
u
VCC
12V
EQHz
9CS4GA
irD1
3L1N4936
120Vrmsd
>RS
>20k£l
11
BCMGA
1P?
N4336
C1
_10WF
BC84GA
L$f
功率表示数:
测得此放大电路的最大输出功率为33.998W，功率因数为：
0.929
输出波形如图所示:
T1
T2
T2-T1
时间
3-171s
3.171s
0.000s
通過_A
6S&n994mV
686.M4mV
0,000V
反向
保存
Ext”Trigger
r
比例110rTKjttv~乂位蓋|o
FFMIB/AIA/B
通道虫
比例［T丽甲位遥|o
AC|D|PC宦
通道吕
比例|5呼边沿HFx|[A~BIH^I诈蓋|o
ac|o|dc-1r
电平
类型正眩|标准丨自动」无.
幅频特性曲线:
相频特性曲线:
3、电路的调试
通电前的检查。
电路安装完毕后，应先对照电路图按顺序检查一遍静态调试。
用万用表逐级测量各级的静态工作点。
调节偏置电阻，使各级静态工作点正常。
若测量值与计算值相差太远的话，应考虑该级偏置电路有虚焊或元件有错的错误，要检查修正。
下面是本例中关键点的静态电位值：
A、接上+6V电源（S开关处于断开状态），用电流表接在S开关两端，电流正常值约为30mA左右。
然后接通开关，用电压表测量Q3Q4管的发射极中点电压，调节W2的阻值，使中点电压为3V。
B、用测量Q1集电极电压，调节W1的阻值，使Q1集电极电位在3V左右。
（3）动态测试。
在输入端输入1kHz的正弦波信号，用示波器观察输出信号波形，信号由小逐渐增大，直至输出波形增大到恰好不失真为止。
4、数据的分析
根据所设计的电路可知：
Pom^40w
而此功率放大电路的理论最大输出功率：
Pom（理论值）=VCC2/2RL=9.2w
上图为放大电路的各参数
六、设计总结
1、设计过程中遇到的问题及解决方法
课程设计过程中出现的问题几乎都是过去所学的知识不牢固，许多计算方法、公式都忘光了，要不断的翻资料、看书，和同学们相互探讨。
虽然过程很辛苦，有时还会有放弃的念头，但始终坚持下来，完成了设计，而且学到了，应该是补回了许多以前没学好的知识，同时巩固了这些知识，提高了运用所学知识的能力。
2、设计体会
通过这次对功率放大电路的设计，让我了解设计电路的程序，也让我了解了关于功率放大电路的设计理念。
以前老师在课堂上讲一些，课下做一些习题，对此问题了解甚少，但经过此次的设计就完全不同了。
课程设计都需要刻苦耐劳，努力钻研的精神。
对于每一个事物都会有第一次的吧，而每一个第一次似乎都必须经历由感觉困难重重，挫折不断到一步一步克服，可能需要连续几个小时、十几个小时不停的工作进行攻关；最后出成果的瞬间是喜悦、是轻松、是舒了口气！
3、对设计的建议
希望学校多给些类似的实习机会，以锻炼学生们的实践动手能力。
一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。
指导教师签字年月日
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