低频功率放大器设计小论文.docx

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低频功率放大器设计小论文

学科分类号工科

题目：

姓名

学号

院（系）

专业、年级

指导教师

指导教师评定成绩

评审基元

评审要素

评审内涵

满分

指导教师

实评分

选题质量15%

目的明确

符合要求

选题符合专业培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到课程设计论文综合训练的目的。

理论意义或

实际价值

符合本学科的理论发展，有一定的学术意义；对经济建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。

选题恰当

题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。

能力水平50%

查阅文献

资料能力

能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。

综合运用

知识能力

能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。

研究方案的

设计能力

整体思路清晰；研究方案合理可行。

研究方法和手段的运用能力

能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、总结信息。

外文应用

能力

能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外文参考书目（特殊专业除外）体现一定的外语水平。

设计论文35%

写作水平

论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。

写作规范

符合学术论文的基本要求。

用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用规范化、符合标准。

论文篇幅

5000字左右。

实评总分成绩等级

指导教师评审意见：

指导教师签名：

说明：

评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90—100分记为优秀，80—89分记为良好，70—79分记为中等，60—69分记为及格，60分以下记为不及格。

第1章绪论

1.1功放的发展现状……………………………第3页

1.2功放技术的现状……………………………第4页

1.3选题意义……………………………………第5页

1.4设计的工作…………………………………第5页

第2章硬件部分介绍

2.1具体方案论证与设计………………………第5页

2.2各元件简介…………………………………第8页

第3章各级电路原理

3.1差动放大原理………………………………第9页

3.2ocl互补推挽放大电路的原理

……………………………………第10页

3.3交越失真消除电路工作原理

………………………………………第11页

3.4过流保护电路的工作原理

…………………………………………第12页

第四章测试报告

…………………………………………第13页

第五章结论

…………………………………………第20页

第1章绪论

1.1功放的发展现状

功放技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。

1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。

1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代，比较有代表性的如"威廉逊"放大器，较成功地运用了负反馈技术，使放大器的失真度大大降低，至50年代电子管放大器的发展达到了一个高潮时期，各种电子管放大器层出不穷。

由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。

60年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。

晶体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。

在60年代初，美国首先推出音响技术中的新成员--集成电路，到了70年代初，集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音响界所认识。

发展至今，厚膜音响集成电路、运算放大集成电路被广泛用于音响电路。

70年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。

由于场效应功率管同时具有电子管纯厚、甜美的音色，以及动态范围达90dB、THD<0.01%（100kHz时）的特点，很快在音响界流行。

现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。

音响技术的发展经历了电子管、晶体管、场效应管的历史时期，在不同的历史时期都各有其特点。

预计音响技术今后的发展主流为数字音响技术。

1.2功放技术的现状

可以分为甲类功放（又称A类）、乙类功放（又称B类）、甲乙类功放（又称AB类）和丁类功放（又称D类）。

甲类功放是指在信号的整个周期内（正弦波的正负两个半周），放大器的任何功率输出元件都不会出现电流截止（即停止输出）的一类放大器。

甲类放大器工作时会产生高热，效率很低，但固有的优点是不存在交越失真。

单端放大器都是甲类工作方式，推挽放大器可以是甲类，也可以是乙类或甲乙类。

乙类功放是指正弦信号的正负两个半周分别由推挽输出级的两“臂”轮流放大输出的一类放大器，每一“臂”的导电时间为信号的半个周期。

乙类放大器的优点是效率高，缺点是会产生交越失真。

甲乙类功放界于甲类和乙类之间，推挽放大的每一个“臂”导通时间大于信号的半个周期而小于一个周期。

甲乙类放大有效解决了乙类放大器的交越失真问题，效率又比甲类放大器高，因此获得了极为广泛的应用。

丁类功放也称数字式放大器，利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号，具有效率高，体积小的优点。

许多功率高达1000W的丁类放大器，体积只不过像VHS录像带那么大。

这类放大器不适宜于用作宽频带的放大器，但在有源超低音音箱中有较多的应用。

1.3选题意义

运用所学到的专业知识，尤其是模拟电子技术知识进行理论与实际的结合，巩固所学知识，熟悉各器件的参数与功能。

掌握模拟电路的调试方法，加强实践和综合分析问题的能力。

1.4本设计的工作

1.先设计电路，计算每段的参数。

2.在仿真软件上仿真，得到模拟的电路图。

3．购买元器件，焊接电路。

4．调试电路。

第2章硬件部分简介

2.1具体方案论证与设计

方案１：

前级采用差动放大电路、后级采用OCL互补推挽放大电路

如下图所示输入信号通过三级管Q1进行放大，两三极管的放大倍数非常接近，根据三级管放大的原理，两三极管的集电极和发射极电流相等，R1上的电流等于每个三极管基极电流的两倍。

Q1管集电极接上电阻，Q1的集电极电流要通过R1，会在R1上产生电压降，从而达到电压放大的目的。

后级采用三级管推动加OCL互补推挽放大电路

具体电路如下：

通过调节Q1的基极输入电压，可以调节电路的静态输出电压，要求将静态电压调为零，即电路的调零。

保护电路采用三极管动态分流电路，实际电路如下：

当输出电流过大时，电路通过将功放管基极的电流分出一部分，以达到减小三极管基极电流，从而减小发射极输出电流的目的，不但保护了功率放大管，而且起到了保护负载安全的作用。

方案２：

一、二级采用集成运算放大器、后级采用OCL互补推挽放大电路

具体电路如下：

第一二级采用集成运算放大器放大。

输入信号经过前两级运算放大器放大后，信号的强度有了大幅提高，前面两级均采用反相比例运算电路，经两级放大后，输出信号的相位跟输入信号的相位相同。

通过可调电阻可以调节电路的总放大倍数，前级电路主要放大信号的电压幅度。

后级采用OCL互补推挽放大电路

根据OCL互补推挽放大电路的工作原理，上下功放管各放大信号的半个周期，两个功放管互补工作，因此而得名，以上电路考虑到功率管的激励电流问题，功率管采用复合管，以此来增大功率管的推动电流，解决因功率管推动电流不够而引起的上下截顶失真。

保护电路跟方案一一样

2.2各元件的简介

三级管:

型号

Vbeo

Icm

Pcm

类型

数量（个）

2SB817

160V

12A

100W

PNP

2SD1047

160V

12A

100W

NPN

2N5551

160V

O.6A

0.6W

NPN

2N5401

160V

O.6A

0.6W

PNP

二极管:

型号

最大整流电流

最大反向电压

类型

数量

1N4001

50V

硅整流二极管

电阻:

型号

功率

数量

5.1K

0.5W

27K

0.5W

15K

0.5W

2.2K

0.5W

0.5

330

0.5W

电容:

型号

耐压

数量

47uF

50V

10uF

50V

47pF

100pF

第3章各级电路原理

3.1差动放大原理

Q1管集电极接上电阻，Q1的集电极电流要通过R1，会在R1上产生电压降，从而达到电压放大的目的。

3.2OCL互补推挽放大电路的工作原理

最简单的OCL互补推挽放大电路如图所示，上下功放管各放大信号的半个周期，两个功放管互补工作，电路因此而得名，以上电路考虑到功率管的激励电流问题，功率管采用复合管，以此来增大功率管的激励电流，解决因功率管激励电流不够而引起的上下截顶失真。

当输入信号为正时，上功率管导通，电流从VCC通过功率管，再经过负载到地形成回路。

当输入信号为负时，下功率管导通，电流从地通过负载，流经功率管到地形成回路。

两个功率管轮流工作。

但在时际电路中，以上电路会产生交越失真。

3.3交越失真消除电路工作原理

如图所示：

交越失真消除电路由R1、Q1、D1、D1、R2组成，正常工作时，Q1工作在半导通状态，D1、D2正向导通，将产生1.4V左右的电压降，同时R2上将产生电压降，看图可知，D1、D2与功率管的发射结并联，这样可保持两功率管的发射结电压稍高于三极管发射结的死区电压，使功放管工作在微导通状态，加入很小的电压就可以触发三极管导通，解决了电路交越失真的问题。

需要注意的是，在电路的运行和调试过程中，电路的中点电位必须非常接近于零电位，否则电路将因为两个功放管所分得的功率不均匀而损坏功放管，同时可能损坏负载。

3.4过流保护电路的工作原理

为了在输出电流过大时对功率管和负载进行保护，本机还设有过流保护电路。

如图所示，过流保护电路由Q1、Q3、R4、R3、R7、R5组成，当输出电流正常时，U1、U2上产生的电压降不足以使三极管Q1、Q3导通，三极管工作在死区，此时，保护电路不影响电路的工作，输出波形与输入波形的形状相同。

当输出电流因某种原因增大时，R7、R5上的电压降足以使Q1，Q3导通，此时，Q1，Q3将功率管的基极电流分出来一部分到地，电流越大，Q1，Q3的导通程度越深，分出来的基极电流也越大，以此来减小功率管的输出电流，达到保护功放管和负载的双重目的。

输出波形将会产生上下截顶失真。

第4章测试报告

4、1通频带测试报告

电路要求带宽BW≥（50-1000）HZ

输入信号的有效值为50mV

频

率

200

400hz

600

800

1000hz

1100hz

1200hz

1300hz

有效

0.472V

0.480V

0.482V

0.486V

0.480V

0.476V

0.480V

0.476V

0.484V

输入信号的有效值为300mV

频

率

100

200

400hz

600

800

1000hz

1100hz

1200hz

1300hz

有效

3.64V

3.92V

4.00V

输入信号的有效值为600mV

频

率

100

200

400hz

600

800

1000hz

1100hz

1200hz

1300hz

有效

7.44V

7.52V

7.60V

7.52V

7.60V

根据以上测试结果可知，本电路的带宽远大于（50-1000）HZ，设计达到预先要求。

附：

在预定带宽内固定输入信号幅度时的输出波形

输入信号有效值为300mV时的输出波形

输入信号频率为50HZ

输入信号频率为200HZ

输入信号频率为500HZ

输入信号频率为1000HZ

输入信号频率为1500HZ

4、2在PoK下的效率测试

要求在PoK下的效率≥55％

频率

50hz

200hz

400hz

600hz

700hz

900hz

1000hz

Pi（w）

Po（w）

8．5

根据测试结果η=Pi/Po=（11.5/17）*100%=67.6%，达到了设计要求。

附：

频带内的最大输出功率时波形：

效率略小于要求值，未达到要求。

输入信号频率为50HZ最大输出时的波形

输入信号频率为2KHZ最大输出时的波形

4、2输入接地时电路输出断的波形，用以测量前置放大输入级输入端交流接地，RL上面的交流声功率。

波形如下：

观察波形可知：

P=0.5Um2/R=0.5*（21mv*21mv/8）=0.027mw

实物图：

实物电路

电源实物图

第5章结论

由于电路后级采用了OCL互补推挽功率放大电路，而OCL互补推挽功率放大器属于乙类功率放大器，所以电路效率比较高，电路的功率损耗较小，而且在整个电路除输入级外均采用直接耦合方式，所以电路的通频带很宽，能够保证将在人耳所能听到的声音频率范围内的输入信号同等幅度地放大，输出信号的失真特别小。

保证了声音的质量，是一种可以运用到实际生产中的电路。

最重要的是本电路组成简单，相对于其他种类的电路来说成本较低，这就使得本电路在实际生产中更有价值，。

本设计中的不足与改进建议：

（1）本设计存在的缺点是电路没有设置均衡电路，当放大音量较小的声音信号时，因为人耳对低音的感应比对高音的感应迟钝，电路小功率运行时会感觉高音信号的成分会比较多。

因此，最好在前级设置均衡电路，以使人在听小音量时感觉舒服。

（2）因为电路是按照后级功率放大设计的，所以电路没有设置音量电位器，在进行功率放大时，在本机上不能对音量进行调节，所以最好在电路前级再加一级前置放大，并设置音量电位器，以使电路得到完善，方便用户使用。

（3）电路的中点电位必须非常接近零电位，否则将给电路带来额外的损耗，严重时将损坏功放管甚至烧坏负载。

在不考虑电路成本的情况下可进一步改善保护电路。

（4）由于本人初次焊板，技术有限，但又希望尽量节约，最后虽然按期完成任务，不过由于焊接问题，导致功放效果未达到指定，在指定频带内输出稍大就会失真，而在20khz以上则很标准。

以后一定要设计好板子的走线再进行焊接，以达到一次到位的效果。

参考文献

《电子技术基础（模拟部分）》

致谢

在本次实验设计过程中，我们这组同学都互相帮助，先完成的同学帮助后完成的调试电路，完成得好的帮助完成得差的调试，在此感谢我们这组的同学，还有帮我们提供帮助的其他同学。

再有老师也在实验中帮助过我们，指导我们，在此感谢！

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