低频功率放大器的设计说明书.docx

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低频功率放大器的设计说明书

毕业设计说明书

课题名称:

低频功率放大器的设计

系别电子信息工程系

专业应用电子技术

毕业设计起讫时间：

2

指导教师评语

指导教师（签字）：

年月日

摘要

介绍了一种具有小信号放大能力的低频功率放大器的设计和制作，论述了系统的设计原理、理论依据、工作流程、程序设计、测试方法和实验数据等。

系统主要由电压放大电路、输出级电路、带阻滤波器和显示电路等组成，电路结构简捷，技术合理、器件成本低、省电节能、性价比高。

实验结果表明，该功率放大器在功率、通频带、失真度和效率等方面具有较好的指标、较高的实用性和节能性，并很好地实现了对低频信号的功率放大作用，符合技术规范和设计要求。

关键词：

低频；功率放大器；频率；失真；效率

Abstract

Thispaperpresentsasmall-signalamplificationwiththeabilitytodesignandproductionoflow-frequencypoweramplifier,discussesthesystemdesignprinciples,theoreticalbasis,workflow,programming,testingmethodsandexperimentaldata.Systemismainlyfromthevoltageamplifiercircuit,theoutputstagecircuit,band-rejectfiltersanddisplaycircuitetc.,thecircuitstructureissimple,soundtechnology,device,lowcost,power-efficient,cost-effective.Theexperimentalresultsshowthatthepoweramplifierinthepower,pass-band,distortionandefficiencyindicatorshasabetter,higherutilityandenergyefficiency,andwellrealizedthepowerofthelow-frequencysignalamplification,Meetthetechnicalspecificationsanddesignrequirements.

Keywords:

low-frequency；power；amplifier；frequency；distortion；efficiency

目录

摘要1

Abstract1

1前言2

1.1功率放大器的发展史2

1.2本课题的意义4

2系统设计4

2.1总体设计方案4

2.1.1设计思路5

2.1.2方案论证与比较5

2.3理论分析与计算7

3系统电路的设计8

3.1弱信号前置放大级8

3.1.1工作原理8

3.1.2抑制零点漂移的原理9

3.2功率放大级10

3.2.1复合管的特点10

3.2.2工作原理11

3.2.3元件的作用11

4制作与调试12

4.1整体电路调试12

4.1.1主要测试仪器12

4.1.2产品的调试12

4.2主要技术指标测试12

4.3测试结果分析13

4.4注意事项13

6总结14

致谢16

参考文献17

附录A18

附录B19

1前言

1.1功率放大器的发展史

功率放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。

回顾一下功率放大器的发展历程，对我们广大爱好者来说也许是一件饶有趣味的事情。

半导体技术的进步使晶体管放大器向前迈进了一大步。

自从有了晶体管，人们就开始用它制造功率放大器早期的放大器几乎全用锗管来制作，但由于锗管工艺上的一些原因，使得放大器中所用的晶体管，尤其是功放管性能指标不易做得很高。

这样，放大器的频率响应也就很狭窄，其3dB截止频率通常在10kHz左右，大大影响了音乐中高频信号的重现。

再加上功放管的耐压、电流和功耗三个指标相互制约，制作较大功率的OTL或OCL放大器不易寻到三个指标都满足要求的管子，所以不得不采用变压器耦合输出。

变压器的相移又使电路中加深度负反馈变得很困难，谐波失真得不到充分的抑制，因此这一时期的晶体管放大器音质是很差的。

随着半导体工艺的逐渐成熟，大电流、高耐压的晶体管品种日益增加，越来越多的功率放大器采用了无输出变压器的OCL电路或OTL电路。

最初的大功率PNP管是锗管，而NPN管是硅管，两者的特性差别非常显著，电路的对称性很差，人们更多采用的是准互补电路，通过小功率硅管与一只大功率的NPN硅管复合，得到一只极性与PNP管类似的大功率管，降低了电路因对称性差而招至的失真。

到了六十年代末，大功率的PNP硅管商品化的时候，互补对称电路才得到广泛的应用。

元器件的进步使晶体管功率放大器的技术指标产生了质的飞跃，在主观音质评价方面，也改变了过去人们对晶体管功放的看法，无论是在厅堂扩音、电台节目制作还是家庭重放，晶体管功放都被大量地采用，首次在数量上以压倒性的优势超过了电子管功放。

在商品化的晶体管扩音机中，相继出现了一些摧琛夺目的名机，如JBL的SA600，Marantz互补对称电路MOdel15等等。

最初采用对称设计的例子要算互补对称电路了，一上一下的两只异极性晶体管作推挽输出，不仅可以免除笨重的输出变压器，而且电路的偶次谐波失真在推挽的过程中被抵消了，保真度有了很大提高。

稍后，人们从运算放大器的设计中得到启迪，将左右对称的差动式电路用于功率放木器的输入级，电路的稳定性和线性都得到改善，这一结构直至今天都还有人采用。

典型的OCL放大器外，单管放大的过载能力也很差，这一系列的缺点是不利于电路的动态性能的。

围绕着改进电压推动级的性能，人们相继提出了多种结构，共射—共基电路就是一个典型的例子。

共射——共基电路又叫“猩尔曼”电路，它原先是高频电路中广为采用的结构，但用于音频电路中同样可以发挥出色的性能。

首先是它的宽频响，由于共基放大管Qs非常低的输入阻抗，使Q丧失了电压增益，弥勒效应的影响就非常微弱。

宽频响的推动级拉开了与输入级极点的距离，相位补偿变得很’容易，而且电容C的容量可以大大减小，这对于改善TIM失真是很有利的。

第二个优点是电路的高度线性：

共基极电路的输出特性也可以清楚地显示出这一点，有人作过测试，共射一共基电路的失真度比单管共射电路要低一个数量级。

依然是一种不平衡的设计，这一限制来源于输入级。

如果把输入级变动一下，从互补推挽的Q和Qg的集电极输出信号，那么电压推动级就可以在基础上再增加一组NPN管构成的共射一共基电路，做到推挽输出，这时电路也就非常对称平衡了，几乎达到了完美的程度。

当今许多最先进的功率放大器采用的也是这种电路结构。

另一种电压推动级的形式，电压推动级也采用对称的差动放大，这不仅可以改善输入级的平衡性，提高放大能力和共模抑制比，而且同样可以降低推动级的失真，因为差动式放大电路当输入在一定的范围内时具有线性的传输特性。

Q2和Qd构成镜像电流源，把Q的集电极电流转移到Qz上，所以尽管是单端输出，电流推动能力却比原来增大了一倍。

功率放大器就是采用的这种电路结构，取得了非常好的效果。

对称和平衡不仅体现在电路的结构上，还表现于元器件的参数上。

差动电路是集成运放中广泛采用的结构，其性能是建立在两只差分管精确匹配的基础之上。

同样，推挽电路中，如果两只异极性的晶体管特性不一致时，对波形的两个半周就不能做到一视同仁地放大，这将增力电路的失真度。

1.2本课题的意义

本课题设计的低频功率放大器具有电路简单、功率小、耗电量小，节约成本。

从能量控制的观点来看，功率放大电路与电压放大电路都是能量转换电路，都是将电源的直流功率转换成放大信号的交流功率。

但是它们具有各自的特点：

低频电压放大电路工作在小信号状态，动态工作点摆动范围小，非线性失真小，可用微变等效电路法分析、计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等。

从学习的观点来看，在实习中自己设计制作，可以激发学习的兴趣，还可以加深对所学的知识的理解，在课堂上所学的知识毕竟只是书本知识，换句话说，那还不一定就是自己的，只有通过实践，在实践中学生能够运用所学的书本知识了，把平时自己所学的与该课程设计有关的只是灵活运用了，那才可以说你掌握所学知识，否则，就是没有完全理解和熟悉。

而且，在实习中锻炼了自我，加深了对所学知识的理解，在与同学之间合作的同时也培养了同学之间的团队合作意识，为以后的就业或者是创业打下了必不可少的基础！

2系统设计

2.1总体设计方案

设计一个低频功率放大器，能放大功率，当输入正弦信号电压有效值为5mV和输入电阻为600Ω时，在8Ω电阻负载（一端接地）上，同时电路使输出功率大于等于5W，输出波形无明显失真。

输出信号的通频带范围为20Hz～20kHz。

2.1.1设计思路

题目要求设计一个低频功率放大器，通过计算得到需要电压增益20～40dB，因此需要设置二级放大器：

弱信号前置放大器和末级功率放大器；带宽要求可以通过选择适当的器件来满足，总体框图如图1-1所示。

设计中采用差分放大电路，再放大输出后加上偏置电阻，达到输出波形无明显交越失真；在使用功率放大电路，使之功率达到额定的功率，以及制作一个多路输出直流稳压电源为用电回路供电。

输入信号

弱信号前置放大级

功率放大级

输出信号

图2-1低频功率放大器结构图

2.1.2方案论证与比较

（1）高效率、宽带功率放大器的类型选择

我们知道，为了提高功率和效率，一般的方法是降低三极管的静态工作点及由甲类（θ＝360°，η≦50％）到乙类（θ=180°，η≦78.5％），丙类（θ≦180°，η>78.5％），甚至D类（η＝100％）。

但丙类放大器不适宜宽带放大器，原因是失真太大。

工作在乙类状态会产生交越失真。

D类放大器虽高，但在制作上有几个技术难点，如脉宽调制，考虑到时间因素，我采用复合管的互补对称功率放大电路。

互补功率放大电路管耗小、效率高、可克服交越失真。

（2）弱信号前置放大级

方案一：

采用分立元件组成放大电路。

用小功率三级管组成差分放大电路作为输入级。

电路优点是：

共模抑制比高、性价比高。

方案二：

采用集成电路构成。

电路的优点是：

电压增益易调且高、电路简单。

根据题目要求输入电阻600Ω和20～40dB的增益，所以选择方案一。

（3）功率放大级

方案一：

乙类互补功率放大电路如图2-2所示。

它由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。

这种电路也称为OCL互补功率放大电路。

图2-2乙类互补功率放大电路

方案二：

单电源互补功率放大电路如图2-3所示。

当电路对称时，输出端的静态电位等于VCC/2。

为了使负载上仅获得交流信号，用一个电容器串联在负载与输出端之间。

这种功率放大电路也称为OTL互补功率放大电路。

图2-3单电源互补功率放大电路

方案三：

复合管的互补功率放大电路，当输出功率较大时，输出级的推动级，即末前级也应该是一个功率放大级。

此时往往采用复合管，复合管有四种形式，如图2-4所示，复合管的极性由前面的一个三极管决定。

由NPN-NPN或PNP-PNP复合而成的一般称为达林顿管。

图2-4复合管的四种形式

因为方案三输出电流大，所以输出功率也增大了，故采用方案三。

2.3理论分析与计算

（1）求输出最小电压Uomin

根据本课题得，输