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功率放大器
信息与电气工程学院
CDIO项目设计说明书
（2012/2013学年春季）
CDIO项目名称：
电子应用系统基础训练项目
一级项目（第四学期）
专业班级：
通信11-02班
学生姓名：
学号：
指导教师：
设计成绩：
2013年07月07日
目录
1、CDIO的设计目的…………………………………………………2
2、CDIO设计正文……………………………………………………2
2.1功率放大器介绍………………………………………………2
2.2、功率放大器设计……………………………………………3
2.2.1乙类功率放大器原理分析…………………………………3
2.2.2功率放大器设计要求………………………………………5
2.2.3基本设计思想………………………………………………5
2.2.4电路器件的选择……………………………………………5
2.2.5设计步骤及仿真结果……………………………………6
2.2.6前加一级放大设计…………………………………………8
3、优化设计…………………………………………………………11
4、设计心得…………………………………………………………12
5、参考文献…………………………………………………………13
6、附录表格…………………………………………………………14
1、CDIO的设计目的：
（1）通过该项目，充分体现CDIO的教学模式，以学生为认知主体，充分调动学生的积极性和能动性，重视学生自学能力的培养。
（2）完成本项目后对本专业与社会政治经济的关系和和谐互动形成一个较清楚的认识。
培养学生CDIO能力，巩固查阅文献、查课外书籍的习惯，为后续项目、课程学习等其它内容的开展打下一个良好的基础。
（3）CDIO的设计内容：
①设计功率放大器。
②熟悉各单元电路测试点的正常参数。
③学习基本复杂电路的设计原理和具体方法步骤，并对其进行multism仿真。
④加深对电路设计技巧及电子电路原理的理解。
2、CDIO设计正文
2.1功率放大器介绍：
一、分类
根据输入与输出信号间的大小比例关系，功率放大器可分为线性放大器与非线性放大器两种。
属于线性放大器的有A类、B类及AB类放大器；属于非线性的则有C类、D类、E类、F类等类型的放大器。
（1）A类放大器是所有类型功率放大器中线性最高的，其功率元件在输入信号的全部周期内均导通，即导通角为360°，但其效率却非常低，在理想状态下效率仅达到50%，而在实际电路中，则仍限制在30%以下。
（2）B类功率放大器的功率元件只在输入正弦波之半周期内导通，即导通角仅为180°，其效率在理想状态下可达到78%，但在实际电路中所达到的效率不会超过60%。
（3）AB类功率放大器的特性介于A类和B类放大器之间，其功率元件偏压在远比正弦波信号峰值小的非零直流电流，因此导通角大于180°但远小于360°。
一般情况下，其效率介于30%~60%之间。
（4）C类功率放大器的功率元件的导通时段比半周期短，即导通角小于180°。
其输出波形为周期性脉冲，必须并联LC滤波电路后，才可得到所需要的正弦波。
在理论上，C类放大器的效率可达到100%，但在实际电路中仅能达到约60%的效率。
（5）D类、E类的功率放大器基本上都是所谓的开关模式放大器，其原理是将功率元件当作开关使用，并借助输出级的滤波及匹配网络使输出端得到完整的输出波形。
（6）F类功率放大器可算是C类功率放大器的延伸，他们的偏执方式相似，但F类放大器在功率管输出端与负载间加入了频波控制网络，一次提高效率。
在理论上他们都可以达到100%的效率，但在实际电路中仍受到开关切换时间等因素的控制而无法达到理想值。
二、主要技术指标
（1）最大输出功率Pom功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。
是交流功率，表达式为Po＝IoUo。
最大输出功率是在电路参数确定的情况下，负载上可能获得的最大交流功率
（2）转换效率η功率放大电路的最大输出功率与电源提供的直流功率之比。
直流功率等于电源输出电流平均值及电压之积。
（3）最大输出电压Uom
三、晶体管选择
功率放大电路中的晶体管在功率放大电路中，为使输出功率尽可能大，要求晶体管工作在极限应用状态。
晶体管集电极电流最大时接近ICM晶体管管压降最大时接近U（BR）CEO晶体管耗散功率最大时接近PCM选择功放管要注意极限参数的选择，还要注意其散热条件，使用时必须安装合适的散热片和各种保护措施。
2.2、功率放大器设计
2.2.1乙类功率放大器原理分析
电路的工作原理图如图2-2-1所示。
图2-2-1乙类OTL互补推挽电路原理图
静态时要求两管无基极电流，即IB=0，K点电位为Vcc/2，VCE1=VCC/2，VCE2=—Vcc/2。
当输入电压Ui正半周时，两管基极电位同时升高，T2管发射结反偏截止，T1发射结正偏导通，io1在RL上得到正半周的输出电压vO；当输入电压Vi负半周时，两管基极电位Vb同时下降，T1发射结反偏截止，T2发射结正偏导通，io2在RL上得到负半周的输出电压Vo，可见两管都工作在射极输出组态。
在无输入电压Vi时，输出电压Vo为零，两管都工作在乙类放大状态。
当一只管子导通时另一只管子截止，又称为互补推挽电路。
在讨论图1输出波形时，忽略了功放管发射结的门坎电压（对硅管约为0.6V，对锗管约为0.2V）。
实际上输入电压必须大于门坎电压时才有射极电流输出，输入电压低于门坎电压时没有射极电流输出，因此输出电压波形的正负半周交接处产生了失真，称为交越失真，如图2-2-2所示。
图2-2-2交越失真电路图
为了消除交越失真实际设计电路时采用图2-2-3电路，在图示电路中Q3为前置放大器，Q1和Q2为互补对称放大器。
R2与R3的作用在于为Q1和Q2提供一个合适的偏置，使在Ui=0时，K点的点位为Vcc/2，D1和D2的加入使得Q1和Q2在静态时处于微导通状态，从而消除了电路的交越失真。
静态时，K点电位为Vcc/2，电容被充电到Vcc/2。
若电容足够大，则在有信号输入时，可认为其上的电压保持不变，即相当于一个电压为Vcc/2的恒压源。
Ui负半周时Q2导通而Q1截止，Q2集电极回路的直流电源电压为Vcc/2。
Ui正半周，V3导通，而V2截止，Q2导电时依靠电容上的电压供电，Q2集电极回路的直流电源电压为-Vcc/2。
图2-2-3消除交越失真的电路图
2.2.2功率放大器设计要求：
（1）输出功率Po=5W，负载电阻Rl=8Ω。
（2）增益为40dB。
（3）带宽20~50kHZ。
2.2.3基本设计思想
设计方案：
根据设计要求，选用乙类互补功率放大器，为防止交越失真，采用两个二极管串联构成偏置电路，连接好基本电路，如图2-2-4：
图2-2-4乙类互补功率放大器基本电路图
2.2.4电路器件的选择：
对于电子管OTL功放的输出级，不是所有功率电子管均能适用，必须选用符合如下条件功率电子管才能取得良好的效果。
第一级为共发放大器，选用小功率管。
第二级为推动管选用中功率管。
第三级为功率大器需用两个互相匹配的大功率管。
（1）低内阻特性
一般功率电子管的屏极内阻为10kΩ左右，不适用于OTL功放。
OTL功放必须选用屏极内阻在200～800Ω的功率电子管。
这些低内阻功率电子管有6AS7、6N5P、6C33C-B、6080、6336等。
（2）低屏压、大电流特性
一般功率电子管的屏极电压均为400V左右，高屏压电子管可达800～1000V，而OTL功放必须选用屏极电压在150～250V之间的低屏压、大电流特性的功率电子管来担任。
以上所列低内阻功率电子管均具有低屏压、大电流的工作特性。
此外还有6C19、6KD6、421A、6146等功率电子管。
这些电子管本身具有低屏压、大电流特性，但其屏极内阻稍高，应多管并联才能适用于OTL功放。
（3）采用新型OTL功放专用功率电子管
这类电子管不仅内阻较低，而且具有低屏压、大电流特性，如6HB5、6LF6、17KV6、26LW6、30KD6、40KG6等。
为了降低电子管灯丝的功耗，许多用于OTL功放的功率电子管的灯丝电压提高到20～40V，以便于串联使用。
2.2.5设计步骤及仿真结果
（1）Po=Vo²/RL，Po=5w，Rl=8Ω
所以有Vo=6.35v,
峰峰值V=Vo*2*1.4=18v
Vcc选择应大于18v
初步选择Vcc=50v
（2）共发射电路静态工作点计算及器件参数计算
I负载=Vo/RlA=800mA
β=200Ω
T1基极电流有Ic=βIb
Ib=400mA
取I5=30mA，Vq=26V
R5=（Vcc-Vq）/I5=（50-26）/30Ω=800Ω
取Ve=0.2Vcc=10v
Re=Ve/I3=10v/30mA=330Ω
Re=R6+R4
取R6=30Ω，R4=300Ω
R2=2KΩ
R3=300Ω
（3）共发输出阻抗
截止频率f=1/2πRC
所以C1=10mf
C2=33uf
C3=1nF
根据计算符合实际要求，下图为Mulimrte仿真结果
图2-2-5初步仿真电路图
仿真结果
（1）输出波形如图
图2-2-6仿真输出波形
如图所示输出不失真。
（2）输入输出电压如图
图2-2-7输入电压（左）输出电压（右）
由图可知不满足增益要求，并且经过各种调试都无法满足增益要求，于是想到要满足增益需使输入小，输出大，用前加一级共发放大来满足。
2.2.6前加一级放大设计
参数初步计算：
最终输出要求Po=5w，Po=Vo²/RLRl=8Ω
得到Vo=6.35v,
要满足增益为40db，换算成电压比为Ui/Uo=100
即只要前一级放大器增益为100以上即可。
选用2N2222A型三极管
1.Vcc=100V
2.取VE=0.2VCC=0.2×100=20V
取IEQ=5mv
RE=
=20/5=4k
2.取Vc=0.5VCC=0.5×100=50V
RC=
=25k
3.取VB=VBE（on）+VE=0.7+20=20.7V
I1=（5—10）IB
取I1=10IB=10×
=10×
=0.1mA
则：
RB1=
=110k
RB2=
=10k
4.取电容C1：
电容C2：
取C1=C2=1mF
旁路电容Ce：
取Ce=25mF
按照参数修改电路进行仿真，经调试后的到如图所示电路
图
图2-2-8前加一级放大时仿真电路图
仿真结果：
（1）仿真输出波形：
图2-2-9输出波形图
由图2-2-9可以看出波形不失真。
（2）输入输出电压
图2-2-10输入（左）输出（右）电压
由此可计算出增益为7.451V/22.425mV=332.226
转换成分贝为50.429DB满足要求。
（3）输出功率为7.451*7.451/8=6.9w，满足要求。
（4）带宽要求
输入为20Hz时，输入输出波形为
图2-2-11输入输出波形不失真
输入输出电压为
图2-2-1220Hz时输入（左）输出（右）电压
①由仿真结果计算出20Hz时输出功率Po=6.1w，满足要求。
②增益为318.8，换算成分贝为50DB。
满足要求。
输入频率为50kHZ时，输入输出波形为：
图2-2-1350KHz时仿真波形不失真
输入输出电压为：
图2-2-1450kHz时输入（中）输出（右）电压
①由仿真结果计算出50KHz时输出功率Po=5.9w，满足要求。
②增益为308.9，换算成分贝为49.7DB。
满足要求。
3、优化设计
以上设计虽满足要求，但是效率太低，
以上电路输入直流电流为：
图3-1输入电流
可计算出输入直流功率为Pi=100V*543.189mA=54.3w。
效率为Po/Pi=6/54.3=11%。
理论上乙类互补推挽功率放大器效率可达78.5%，相差太大。
检查功率损耗在哪部分电路中，再设法改进：
（1）输入直流电压Vcc过大影响功率
将输入直流电压改为50V，经调试后，观察发现功率有所提高
此时输入直流电流
图3-2输入电流
效率为Po/Pi=37.8%，效率有所提高。
（2）检查功率损耗位置
测量两个大功率管前级电流，发现电流很小。
测量流过两个大功率管的电流，发现电流很大，因此判断功率消耗在两个大功率管上。
改良措施，调节静态工作点，使静态工作在Vcc/2处，增加一个小电阻使功率管工作在甲乙类状态
部分电路如图：
图3-3改进后部分电路图
串联一个小电阻，分担一点压降有利于防止交越失真，此时效率为50%，有所提高。
4、设计心得
本次项目任务为功率放大器设计，按照任务要求，我想到用最广泛的乙类互补推挽功率放大器，首先查资料，了解功率放大器的组成，作用，以及电路连接，在仿真里搭建出一个基本模型，然后计算参数，按照计算结果设定，经过调试，发现只有一级乙类功放不能满足要求，于是想到上学期做过的共发放大器，前加一级共发放大器，先将小信号放大然后经过功率放大器即可满足要求。
然后再经过参数的计算，仿真调试，最终完成任务要求，但是我发现我所搭建的电路效率实在太低，在老师的帮助下，我懂得了如何调试，如何分析功率消耗在哪里，于是经过电路的优化，使电路的效率有所提高。
在此，我要谢谢老师的悉心教导，在老师的带领下，由去年的共发放大器设计到今年的功率放大器设计，让我学到了很多知识，对电子线路的学习有很大的帮助。
另外，在本次项目中，是我感受最深的是，在参数计算和调试过程中一定要有耐心，本来这个电路就是一项很繁琐的事情，我们要很有耐心的去计算，去调试。
最后，终于完成了我的设计任务，看着自己搭建出来的电路，心里非常高兴。
5、参考文献
[1]蔡惟铮，吴建强.常用电子元器件简明手册.哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，1989
[2]张风言.电子电路基础.北京：
高等教育出版社，1995
[3]谢佳奎，宣月清，冯军编.电子线路线性部分（第四版）.高等教育出版社，2009
[4]黄培根，任清褒Multisim10计算机虚拟仿真实验室[M].北京：
电子工业出版社,2008:
164-172.
[5]XX文库[OL].
6、附录表格
课程设计
评语
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成绩
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