分立元件音频功率放大器.docx

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分立元件音频功率放大器

音频功放要求：

1、功率：

≥10W（8Ω负载）；

2、效率：

≥50%；

3、带宽：

20HZ~20KHZ；

4、输入方式：

差分；

5、电路类型：

OCL；

一、拟定方案以及模拟仿真

1、方案原本为本组四人每人负责一功能块电路的设计与仿真，但因模拟电路理论知识掌握不扎实以至设计时问题不断出现却无从下手解决。

2、经四人商讨改为由网上选择电路图，后期修改参数以达到实验要求。

3、实验电路如下所示：

OCL音频功率放大器原理分析：

一、直流稳压电源

1、直流稳压电源选用了电容滤波电路。

2、变压器采用

18V双电源供电。

3、整流部分采用常用的整流二极管IN4007。

4、在未接负载的情况下由于电容充电到

18V，由于市电电压范围为220V~250V，实际测量为228V左右，所以实际整流稳压后的直流电压值为26.3V左右。

5、当加上负载之后由于滤波电容开始出现周期性的充放电现象，以至于出现了不可避免的纹波电压波形。

二、差分放大电路

1、R1：

保护输入端；

2、R2：

防止电流偏移（电流偏移现象一般出现于三极管放大电路中,特别是深度反馈电路中很可能是自激振荡引起的,电路在零输入情况时产生了正弦交流信号.这一信号的频率如果和输入信号接近,势必会与输入信号叠加,使波形发生变化.此时电路的直流静态工作点会发生偏移）。

3、R3：

提供差分输出信号、为VT3提供静态偏执；

4、R4：

引入一个共模负反馈，降低了共模电压放大倍数，减小每个管子输出端的零漂，但对差模电压放大倍数没有影响，因此提高了共模抑制比。

5、R5、C2提供交流负反馈；

6、C1：

电容隔离直流，防止输入的直流信号一样进入被放大器。

7、三极管VT1、VT2构成差分放大电路。

三、甲乙类双电源互补对称电路

1、VT3、VT4、VT5组成甲乙类双电源互补对称电路；

2、VT4、VT6组成NPN型复合管；VT5、VT7组成PNP型复合管；

3、R6：

负反馈电阻：

负反馈电阻越大反馈越小；

4、R7、VD1：

静态时其上产生的压降为VT4、VT5提供一个适当偏置，使之处于微导通状态。

5、R8：

为VT5提供基极静态偏置。

6、R9：

为VT4提供负反馈；

7、R10：

为VT5提供负反馈；

8、R11：

为VT7集电极提供静态偏置电压；

9、C3：

负反馈电容：

这个电容能起到对放大电路的稳定作用。

其主要目的是消除放大电路的高频自激所引起的啸叫（在低频放大电路中，高频放大电路的自激人耳听不到）。

此外，在低频放大电路中还能起到改善音质的作用。

加入负反馈电容后，其放大倍数会有些降低。

频率HZ

10

20

50

100

200

500

1000

2000

5000

8000

9000

10000

12000

15000

18000

电压V

10.5

20

23

24

25

25

22

15.3

24

21

18

8

8.5

16

25

附录1：

各类偏置电路

1、射极偏置电路

如图1所示的电路是广泛采用的一种电流负反馈式偏置电路。

（1）电路组成

Rb1、Rb2和Re组成放大电路的偏置电路，其中Rb1为上偏置电阻，提供基极偏流IBQ，Rb2为下偏置电阻，对流经Rb1的电流起分流作用，Re为发射极电阻，起电流负反馈作用，Ce为发射极交流旁路电容。

2）稳定静态工作点原理

当温度上升时，由于三极管参数（ICBO、β）的影响，使ICQ增大，发射极电位VEQ=IEQRe亦随之增大，又因为极基电位VBQ为固定值，必然导致加到发射结的正偏电压VBEQ减小，IBQ随之减小，促使ICQ减小。

这样就牵制了ICQ的增大，从而使ICQ基本不随温度变化，稳定了静态工作点。

这种自动调节过程为直流电流负反馈。

Re越大，直流负反馈的作用就越强，ICQ温度稳定性也就越好。

2、集电极-基极偏置电路

下图为集电极-基极偏置电路，它是利用电压负反馈作用来稳定静态工作点的，称为电压负反馈偏置电路。

稳定静态工作点原理

当温度上升时，由于三极管参数的影响，使ICQ增大，集电极负载电阻Rc上的电压降随之增大，导致VCEQ减小，IBQ减小，促使ICQ减小，这样就牵制了ICQ的增大，从而使ICQ基本不随温度变化，稳定了静态工作点。

这种调节过程称为直流电压负反馈。

集电极-基极偏置电路不适合Rc值很小的放大电路。

3、温度补偿偏置电路

温度补偿偏置电路是利用热敏元件（如热敏电阻、半导体二极管等）的温度特性来补偿放大器件的温度特性，以减小放大电路静态工作点的温度漂移，达到稳定静态工作点的目的。

包括热敏电阻补偿电路和二极管补偿电路等。

上面两个电路均利用热敏电阻RT进行温度补偿。

RT具有负温度系数，其阻值随着温度的升高而减小。

总结:

射极偏置电路在较宽的温度变化范围内都能稳定静态工作点，而且更换β值不同的三极管也具有稳定静态工作点的效果；集电极-基极偏置电路能够克服三极管的ICBO和VBE的温度特性对ICQ的影响，但不利于克服β变化对ICQ的影响；采用热敏电阻补偿，需通过实验来选配合适的RT值及特性，也可使静态工作点稳定；二极管补偿，可在一定程度上进一步提高静态工作点的稳定性。

附录2：

三种基本放大电路

电路类型

比较项目

共射极电路

共集电极电路

共基极电路

电路图

电压增益AV

Vo与Vi的相位关系

反相

同相

同相

最大电流增益Ai

输入电阻

输出电阻

特点及用途

1、输出信号与输入信号相位相反；

2、电压、电流、功率放大倍数都比较大，输入电阻和输出电阻适中；

3、主要用于多级放大器的中间级。

1、输出信号与输入信号相位相同；

2、电压放大倍数接近于1，而小于1；

3、输入电阻高，输出电阻低，带负载能力强；

4、主要用于输入级、输出级和缓冲级。

1、输出信号与输入信号相位相同；

2、电压放大倍数与共射级放大电路一样，但电流放大倍数小于1；

3、输入电阻很低，输出电阻适中；

4、主要用于高频和恒流源电路；

一、基本共射极放大电路

（1）共射极放大电路中，信号由基极输入，集电极输出；共射极放大电路的电压和电流增益都大于1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有关。

适用于低频情况下作多级放大电路的中间级。

如左图，其中BJT是核心元件，起放大作用。

直流电源Us通过电阻Rs给BJT的发射极提供正偏电压，并产生基极直流电流Ib（常称为偏流，而提供偏流的电路称为偏置电路）。

直流电源Ucc通过电阻RC，并与Ui和Rb配合，给集电极提供反偏电压，使BJT工作于放大状态。

电阻Rc的另一个作用是将集电极电流的变化转化为电压的变化，再送到放大电路的输出端。

输入信号Vi=0时，放大电路的工作状态称为静态或直流工作状态。

此时，电路中的电压电流都是直流量。

静态时，BJT各电极间的直流电压分别用Ib、IC、Vbe、Vce表示，这些电流电压的数值可用BJT特性曲线上的一个确定点表示，该点习惯上称为静态工作点Q。

在放大电路中设置静态工作点是必不可少的。

因为放大电路的作用是将微弱的输入信号进行不失真的放大，为此，电路中的BJT必须始终工作在放大区域。

当Rb1、Rb2的阻值大小选择适当，能满足I1>>IBQ,使I2=I1时，可认为基极直流电位基本上为一固定值，即VBQ=Rb2Vcc/（Rb1+Rb2）,与环境温度几乎无关。

在此条件下，当温度升高引起静态电流ICQ（=IEQ）增加时，发射极直流电位VEQ（=IEQRe）也增加。

由于基极电位VBQ基本不变，此外外加在发射结上的电压VBEQ（=VBQ-VEQ）将自动减少，使IEQ跟着减少，结果抑制了ICQ的增加，使ICQ基本维持不变，达到自动稳定静态工作点的目的。

当温度降低时，各电量向相反方向变化，Q点也能稳定，这种利用ICQ的变化，通过电阻Re取样反过来控制VBEQ,使IEQ、ICQ基本保持不变的变化的的自动调节作用称为负反馈。

（2）Q点的估算

在I1>=IBQ的条件下有VBQ=Rb2*Vcc/（Bb1+Rb2）

集电极电流ICQ=IEQ=（VBQ-VBEQ）/Re=VBQ/Re

由此式可见，该电路中集电极静态电流ICQ只与直流电压及电阻Re有关，因此β随温度变化时，ICQ基本不变。

基极电流IBQ=ICQ/β

集电极-射极电压VCEQ=Vcc-ICQ（Rc+Re）

（3）动态性能分析

电路的小信号等效电路如所示，则可求的电压增益Av、输入电阻Ri和输出电阻Ro.

Vo=-βibRl’（式中Rl’||Rl）Vi=Ibrbe+（1+β）IbRe

所以Av=V0/Vi=-βRL’/[rbe+（1+β）Re]

式中负号表示该电路中输出电压与输入电压相位相反。

由于输入电压Vi在BJT的基极，输出电压V0由集电极取出，发射极虽未直接接共同端，但它既在输入回路中，所以此电路属于共射极放大电路。

接入电阻Re后，提高了静态工作点的稳定性，但增益也下降了，Re越大，Av下降越多。

为了解决这个矛盾，通常在Re两端并联一只大容量的电容Ce（称为发射极旁路电容），他对一定频率范围内的交流信号可视为短路，因此对交流信号而言，发射极和”地”直接相连，则电压增益不会下降。

当BJT

的基极电位固定，并在发射极电路接一电阻Re，便可提高输出电阻，以提高电路的恒流特性。

此时有

Av=-βRl'/rbe

vi=ib[rbe+（1+β）Re],ii=ib+iRb=vi/[rbe+（1+β）Re]+vi/Rb1+vi/Rb2

所以Ri=Rb1||Rb2||[rbe+（1+β）Re]

在集极回路和集电极回路里，根据KVL可得

Ib（rbe+Rs’）+（ib+ic）Re=0（Rs’=Rs||Rb）

Vt-（ic-βib）rce-（ib+ic）Re=0

由前式得ib=-Reic/（rbe+Rs’+Re）

则有Ro=vt/it=vt/（ic+iRc）=R0’||Rc

通常R0’>>Rc，R0=Rc.

二．共集电极放大电路

共集组态放大电路没有电压放大作用，只有电流放大作用，属于同相放大电路，是三种组态中输入电阻最大、输出电阻最小的电路，具有电压跟随的特点，频率特性较好。

常用于做电压放大电路的输入级、输出级和缓冲级。

静态分析

由图可知，由于电阻Re对静态工作点的自动调节作用，该电路的Q点基本稳定。

由直流通路可得

Ibq=（VCC-Vbeq）/[Rb+（1+β）Re]

Ieq=Icq=βIbqVceq=VCC-IeqR

动态分析

根据电压增益Av、输入电阻Ri的定义，则有

Av=v0/vi=（1+β）ibRl’/{ib[rbe+（1+βRl’）]}=（1+β）RL‘/[rbe+（1+β）Rl’]

式中Rl=Re||RL。

则共集电极放大电路的电压增益Av<1,没有电压放大作用。

输出电压vi和输入电压vi相位相同。

当由小信号模型可得输出电阻R0=Re||[（Rs’+rbe）/（1+β）]

上式说明，射极电压跟随器的输出电阻Re与电阻（Rs’+rbe）/（1+β）两部分并联组成，这后一部分是基极回路（Rs+rbe）折合到射极回路式的等效电阻。

通常有

Re>>（Rs+rbe）/（1+β）

所以R0=（Rs+rbe）/（1+β）

由R0的表达式可知，射极电压跟随器的输出电阻与信号源内阻Rs或前一级放大电路的输出电阻有关。

由于通常情况下信号源内阻Rs很小，且Rs’

为降低输出电阻。

可选用β值较大的BJT。

（1+β）Rl’>>rbe时，A=1，即输出电压v0与输入电压vi大小接近相等，因此共集电极放大电路又称为射极电压跟随器。

三.共基极放大电路

共基组态放大电路没有电流放大，只有电压放大作用，且具有电流跟随作用，输入电阻最小，电压放大倍数、输出电阻与共射组态相当，属同相放大电路。

常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合。

是三种电路中高频特性最好的。

静态分析

上图的直流通路与基极分压式射极偏置电路的直流通路是一样的，因而Q点的求法是一样的。

2．动态分析

（1）电压增益

V0=-βibRl’vi=-ibrbe

于是AV=v0/vi=βRl’/rbe式中Rl’=Rc||Rl

则只要电路参数选择适当，共基极放大电路也是具有电压放大作用，而且输出电压和输入电压相位相同。

（2）输入电阻Ri

Ii=ire-ie=ire-（1+β）ibire=vi/Reib=-vi/rbe

所以Ri=vi/ii=Re||[rbe/（1+β）]

则共基极放大电路的输入电阻远小于共射极放大电路的输入电阻。

（3）输出电阻R0

由上图可得共基极放大电路的输出电阻为

Ro=Rc

由上式可得共基极放大电路的输出电阻与共射极放大电路的输出电阻相同，近似等于集电极电阻。