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功率放大器
基于场效应管的功率放大器电路
摘要：
本设计低频功率放大器主要包括前级放大电路、中间放大电路、功率放大电路以及显示电路四个部分。
其中，前级电压放大采用基于运放的反相比例二级放大形式，能够得到后级输入所需的放大信号值；带阻滤波电路采用二阶有源滤波器，使阻带频率范围控制在40HZ~60HZ之间，并在50HZ频率点输出的衰减≥6dB；功率放大电路末级采用分立的大功率MOS晶体管，在输入有效值5mV信号下保证了功率输出大于5W；系统最终通过液晶显示整个电路输出功率、直流电源功率以及系统的工作效率。
设计完成的放大器达到了要求。
关键词:
低频功率放大器；功率放大电路；场效应管
目录
1绪论3
2低频功率放大器概述4
2.1低频功率放大器的基本要求4
2.2低频功率放大器的分类4
2.3功率放大电路的主要特点5
3基于场效应管的功率放大器电路的设计6
3.1基于场效应管的功率放大器电路的要求和内容6
3.2系统总体设计方案6
3.2.1设计思路7
3.2.2各模块方案选择和论证7
3.2.3各模块的最终方案确定9
3.3系统电路设计10
3.3.1前置放大电路10
3.3.2中间放大级10
3.3.3功率放大级11
3.3.4测量和显示部分12
3.3.5测量显示模块软件设计流程图13
3.4系统测试15
3.4.1测试仪器15
3.4.2指标的测试16
3.4.2.1放大倍数的测试16
3.4.2.2输入电阻的测试16
3.4.2.3通频带的测试16
3.4.2.4低频放大器效率的测试16
结论17
谢辞17
参考文献18
附件19
1绪论
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。
本次设计就是基于场效应管的功率放大器电路。
随着现代社会电子科技的迅速发展，伴随着人们生活水平的提高，近年来随着国内外音响技术的迅猛发展，电子管音频放大器以他独特的魅力重出江湖，各种电子管层出不穷，日新月异，成为广大音响爱好者追求的热点。
全球音频领域的数字化的浪潮以及人们对音频视频节能环保的要求，迫使人们尽快研究来发高效，节能，数字化的功率放大器。
低频功率放大器是一个技术相当成熟的领域，几十年来人们为之付出不懈的努力，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。
功率放大器简称功放，可以说是各类音响器材中最大的一个家族了。
低频功率放大器的的设计是有很多意义的：
它可将音源器材输入的较微弱信号进行放大，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。
目前低频功率放大由分立元件组成，或集电极输出完成，由分立元件组成的功放，电路结构简单，由集电极输出的功放，可减少信号失真。
以其主要用途来说，功放可以分做两大类别，即专业功放与家用功放。
在体育馆场、影剧场、歌舞厅、会议厅或其它公共场所扩声，以及录音监听等场所使用的功放，一般说在其技术参数上往往会有一些独特的要求，这类功放通常称为专业功放。
而用于家庭的Hi－Fi音乐欣赏，AV系统放音，以及卡拉OK娱乐的功放，通常我们称为家用功放。
本期只介绍跟我们家庭息息相关的家用功。
功放可以分为电子管放大器、晶体放大器和集成电路放大器。
电子管放大器（俗称“胆机”）采用电子管作为放大器，其主要优点是动态范围大、线性好、音色甜美悦耳。
但电子管功放也存在两个问题，一是内阻大导致放大器阻尼系数小，影响瞬态特性，二是电子管需高压供电，离不开变压器，变压器不仅功耗大、体积大，还会导致失真。
克服电子管功放的两个缺点，晶体管放大器阻尼系数可做得很高，有良好的瞬态特性，在声音的节奏感、力度上要比胆机明快、爽朗、有力；而且无需变压器，不仅节省成本，缩小体积，而且避免了由变压器所引起的失真。
最后一种是集成电路放大器，它最突出的优点是可靠性高、外围电路简单、组装方便，不足之处是电声指标（功率、频响、失真度、信噪比等）和音质皆不如前两类放大器。
2低频功率放大器概述
2.1 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信号电压进行放大，一般输入及输出的电压的电流都比较小，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，三极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.散热性能好
2.2 低频功率放大器的分类
2.2.1以晶体管的静态工作点位置分类
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2.1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2.1 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2.1（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2.1（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，即交流负载线和IB＝0的交点处，如图2.1（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2.1（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2.1（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2.1（c）所示。
甲乙类工作状态的电流较小，效率也比较高。
2.2.2以功率放大器输出端特点分类
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）。
③无输出电容器功放电路（又称OCL功放电路）。
④桥接无输出变压器功放电路（又称BTL功放电路）。
2.2.3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。
2.3功率放大电路的主要特点
2.3.1功率放大电路的任务和特点
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，并且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。
3基于场效应管的功率放大器电路的设计
3.1基于场效应管的功率放大器电路设计的要求和内容
设计并制作一个基于场效应管的功率放大器电路，要求末级功放管采用分立的MOS管。
基本要求：
低频功率放大器可以实现以下功能：
①当输入正弦信号电压有效值为5mV时（即峰峰值为7mv时，）在8Ω电阻负载（一端接地）上，输出功率≥5W，输出波形无明显失真。
②通频带为20Hz～20kHz。
③输入电阻为600Ω。
④功率放大器的整机效率尽量提高。
⑤具有测量并显示基于场效应管的功率放大器电路输出功率（正弦信号输入时）、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5%。
在满足输出功率≥5W、通频带为20Hz～20kHz的前提下,输入信号幅度可降。
3.2 系统总体设计方案
3.2.1设计思路
根据设计任务与要求,本系统由低频功率放大器、测量电路和显示电路组成。
其中功率放大部分包括：
前置放大级、中间放大级和功率放大级。
测量显示部分包括：
电压电流的数据采集，数据分析和显示。
为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。
最终确定系统框图如图3.1所示。
图3.1系统结构方框图
3.2.2 各模块方案选择和论证
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
）到乙类（θ=180
，η
），丙类（θ
η
），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类放大器效率虽高，但在制作上有几个技术难点，如脉宽调制，考虑到时间因素，我们采用甲乙类双电源互补对称功率放大电路。
甲乙类放大电路管耗小、效率高、可克服交越失真，虽然其效率比D类、乙类低，但其能满足题目要求且较D类易制作。
②信号前置放大级
方案一：
采用分立元件组成放大电路。
用小功率三极管组成差分放大电路作为输入级。
该电路的优点是：
共模抑制比高、性价比高。
方案二：
采用集成电路构成。
该电路的优点是：
电压增益易调且高、电路简单。
根据题目要求需要低输入电阻，高增益的前置放大级。
方案一要求的性能相同的小功率三极管电路设计、计算相对复杂。
而方案二具有更大的优越性和灵活性，因此选用方案二。
最终确定集成芯片采用低失调电压、高开环增益的OP07。
③中间放大级
方案一：
采用分立元件组成多级放大。
用功率小三极管组成多级共射放大电路，性价比好。
方案二：
采用集成芯片和分立元件相结合组成多级放大。
根据题目要求，放大器的通频带要宽，放大倍数大。
方案一各放大级如直接耦合，各级的静态工作点相互影响，难以设置；如采用电容耦合，通频带将受影响，放大倍数要达到要求，放大级数多，难以达到要求。
方案二采用集成芯片做一级放大，放大倍数易达到要求，设计易于实现，价比高。
因此选方案二。
④功率放大级
输出级的关键问题是放大功率、提高效率和减小波形失真。
方案一：
直接采用配对的Mos管组成甲乙类功率输出级。
如图3.2。
图3.2甲乙类功率放大输出级
方案二：
甲乙类双电源互补对称放大电路。
采用复合管构成MOS配对管，增大输出电流。
如图3.3。
输入
输出
图3.3甲乙类双电源互补对称放大电路
方案相比较，方案二输出电流大，故而使输出功率也增大了，故采用方案二。
⑤测量模块
方案一：
输出电压经分压后用A/D直接采集计算。
由于输出电压较大，但A/D的基准电压是5V，所以必须利用分压将电压降到5V以内进行测量。
方案二：
采用小阻值的采样电阻。
如图3.4我们知道，如果R2的阻值远小于R1的阻值时，那R2对
图3.4采样电阻
ADC0804是低功耗的用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。
分辨率8位，转换时间100us，输入电压范围为0~5V。
增加某些外部电路后，输入模拟电压为5V。
该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无需附加逻辑接口电路。
ADC0804的外围电路比ADC0832复杂，但是ADC0832的体积比ADC0804小，并且ADC0832使用的是串口，节省了IO口，ADC0804使用的是并口，但是使得程序编写简单。
显示模块
根据设计要求，需要显示输出电压、电源供给功率、输出功率和效率。
方案一：
使用液晶屏显示。
液晶显示屏具有低耗电量、无辐射危险，可视面积大、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等特点。
方案二：
使用传统的数码管显示。
数码管具有低能耗、低损耗、耐老化、防晒防潮、易于维护、操作简单的特点。
本设计要显示的数据较多，方案二要求数码管位数多、硬件焊接繁琐、且显示的数据易混淆。
方案一使硬件电路简单、数据显示清晰、不易混淆，因此采用方案一，用1602液晶屏显示。
3.2.3 各模块的最终方案确定
经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：
①前置放大级：
采用OP07组成反相比例运算放大电路；
②中间放大级：
采用OP07组成同相比例运算放大电路做第二级放大、差分放大做三级放大、共射电路做第四极放大；
③功率放大级：
采用配对管TIP41C、TIP42C分别与IRF250组成复合管，采用甲乙类双电源互补对称功率放大电路。
④测量模块：
A/D采集数据、单片机控制；
⑤显示模块：
1602液晶显示。
3.3系统电路设计
3.3.1前置放大电路
为了减小外界信号对输入信号的影响，前置放大电路加上带通滤波。
根据题目要求，为了使输出电阻为600Ω，采用了输入电阻低，共模信号为零的反相放大电路。
令放大倍数为12，则
平衡电阻
平衡电阻电阻值为600的电阻，反馈电阻接阻值为100K的可调电位器。
电路图如图3.5。
图3.5前置放大电路原理图
3.3.2中间放大级
中间放大电路的放大倍数设为30.为了使整个电路的性能优越，采用了2级放大。
第一级为有源负载差分放大电路，提高电压放大倍数。
第二级采用共射击放大电路。
在中间放大级的前面，我们还加了一个带通滤波，以提高整个放大器的性能。
电路如见图3.6。
通过初步计算，仿真软件仿真，得到各电阻值和电容值如图3.6。
图3.6中间放大级原理图
3.3.3功率放大级
根据设计要求，放大电路的通频带至少为20HZ---20KHZ，在这里采用两只互补中功率对管TIP41C、TIP42C构成射随器缓冲驱动级，即能够满足频率要求。
TIP41C与MOS管IRF250复合成NPN三极管，TIP42C与IRF250复合成PNP三极管，两复合后的功率管组成输出级。
由于采用的是MOS管，IRF250的开启电压为2到4V，所以该电路在输入信号较小时（<10mV）时，存在一点点交越失真，但仍能满足题目的大部分要求。
输入
图3.7功率输出级原理图
3.3.4测量和显示部分
测量部分采用A/D转换电路来采集负载上的电流和电压，然后将数据送单片机进行分析和处理，将结果送液晶显示。
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。
显示部分采用液晶1602，只要编写简单程序便可将数据显示出来。
见图3.8。
图3.8测量、显示电路
3.3.5测量显示模块软件设计流程图
系统的软件设计主要用来实现测量并显示低频功率放大器输出功率、直流电源的供给功率和整机效率的功能。
采用C语言编写，对单片机编程实现数据的采集和分析整理，进行显示控制。
测量显示模块软件设计流程图如图3.9、图3.10、图3.11所示。
图3.9测量显示模块主程序流程图
图3.10显示模块流程图
图3.11ADC0832流程图
3.4系统测试
为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统的关键部分进行了实际测试。
3.4.1测试仪器
测试使用的仪器设备如表3.1所示。
表3.1测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
信号发生器
1
2
示波器
1
3
数字万用表
1
3.4.2指标的测试
①放大功率的测试
放大功率测量：
使用信号发生器接入输入端，将示波器的两个探头分别接输入和输出端。
测试数据如表3.2。
表3.2放大功率的测定
f/KHz
0.01
1
5
10
20
30
40
50
Ui/mV
6.8
6.7
6.7
6.9
7.0
6.9
6.7
6.6
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。
②输入电阻的测试
测试方法：
给系统输入端加不同的直流电压，分别测输入电流，计算输出电阻。
测试数据如表3.3。
表3.3输入电阻的测定
输入直流电压
输入直流电流
输入电阻
5V
8mA
625
9V
14mA
643
12V
198mA
606
测试结果分析：
实际测量值和理论有一定差距，这可能是由于电阻的值有一定，这是不可避免的。
从测试结果分析，满足输入电阻为600的要求。
③通频带的测试
根据通频带的定义，放大倍数下降到0.7Au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。
测试方法：
输入一个正弦波，改变频率，测量输出电压，按Au=u0/ui计算放大倍数。
3.4.2.4低频放大器效率的测试
电源供给的功率按公式
计算，输出功率按公式
计算，效率按公式
。
为最大不失真输出信号的峰值。
测试结果见表3.4。
表3.4低频放大器输出功率测试
频率项目
10Hz
20Hz
50Hz
100Hz
1KHz
10KHz
20KHz
30KHz
50KHz
输出功率（W）
显示值
5.85
5.80
5.70
5.80
5.90
5.70
5.60
5.80
5.36
实测值
5.81
5.67
5.78
5.89
5.83
5.72
5.75
5.89
5.44
直流电源供给功率（W）
显示值
12.26
12.24
12.22
12.35
12.70
12.40
12.25
12.40
12.07
实测值
12.41
12.44
12.35
12.45
12.60
12.67
12.50
12.67
12.24
整机效率（％）
显示值
46.80
47.30
46.70
46.90
46.50
45.80
45.60
46.90
43.50
实测值
46.00
46.70
45.90
46.40
46.80
46.10
46.10
46.40
44.40
波形失真度（％）
0.46
0.46
0.49
0.48
0.41
0.41
0.42
0.46
0.68
测试结果分析：
实现在输入600mV信号时输出达到8W的功率，并且通频带可以达到10Hz到50KHz。
同时，输出噪声电压小于3mV，满足题目发挥部分要求。
结论
基于场效应管的功率放大器电路可以实现以下功能：
①当输入正弦信号电压有效值为5mV时（即峰峰值为7mv时，）在8Ω电阻负载（一端接地）上，输出功率≥5W，输出波形无明显失真。
②通频带为20Hz～20kHz。
③输入电阻为600Ω。
④功率放大器的整机效率尽量提高。
⑤具有测量并显示基于场效应管的功率放大器电路输出功率（正弦信号输入时）、直流电源的供给功率和整机效率的功能，测量精度优于5%。
在满足输出功率≥5W、通频带为20Hz～20kHz的前提下,输入信号幅度可降到。
虽然实现了基于场效应管的功率放大器电路的基本功能，但离实用尚有较大的距离。
由于PCB是自己手制作的，工艺性尚有欠缺，委托专业厂家定制可更理想。
可靠性则有待测试。
谢辞
在大学期间，我最幸运的就是认识了我的室友们。
我们相处有欢快时光，我一辈子都不会忘记的。
回想我们生活的点点滴滴，没有谎言，没有欺骗，更没有心计，有的只是欢声笑语。
二年的大学生活，相信我们中的每一个人都不会忘记的。
大学是我们友情的开始，也是我们友情的桥梁，而当我们离开学校，踏入社会，这份友情也将永远陪随着我们，我很开心能认识他们！
本论文是在姜浩老师的悉心指导下完成的。
老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。
不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。
本论文从选题到完成，每一步都是在老师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。
在此，谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！
本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。
参考文献
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附录
附录A
图A1数据的采集原理图
附录B
图B1功率放大器PCB
图B2显示电路PCB
附录C：
软件程序
#include
#include
//sfrP1M0=0x91;/*P2口方向0*/
//sfrP1M1=0x92;/*P2口方向0*/
//sfr
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