第3章低频功率放大器的设计与制作.docx

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第3章低频功率放大器的设计与制作

3.1设计任务与要求

3.1.1设计任务

设计并制作具有弱信号放大能力的低频功率放大器，其原理框图如图3-1所示：

图3-1低频功率放大器原理框图

3.1.2要求

1、在放大通道的正弦信号输入电压峰峰值为20mV，等效负载电阻RL为8Ω条件下，放大通道应满足：

（1）额定输出功率Pout≥0.5W，输出波形无明显失真；

（2）带宽BW为50Hz～10kHz；

（3）在Pout下的效率≥50%；

（4）在Pout下和BW内的非线性失真系数≤5%；

（5）前置放大器与功率放大器采用+12V单电源供电。

2、在放大通道的输入端接入驻极体，应能放大不失真的语音信号。

3、自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源。

3.2低频功率放大器的总体方案设计

根据系统原理框图及要求，低频功率放大器的总体电路结构如图3-2所示：

图3-2低频功率放大器电路结构图

电路工作原理：

电路共分两级，第一级为前置放大部分，第二级为功率放大部分。

电源经C1、C2、C3滤除其中的干扰信号，其中电阻R1是将微小信号放大级与功率放大级隔离，避免两级间的相互干扰，R2是限流电阻，同时为驻极体提供合适的静态工作电流。

驻极体产生的微小信号经电容C4耦合到第1个运算放大器A的反相输入端，对输入信号进行电压放大，R5、R6、R7、R8分压，为运算放大器提供合适的静态工作点，避免放大信号的失真。

信号经C6耦合到第2个运放B的同相输入端，此运放构成电压跟随器，用作前后级的阻抗匹配，理想运放有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗，可以抑制有用信号的衰减。

信号经B运放7脚输出由电容C7耦合到电位器RP1，RP1起到音量调节的作用，信号由RP1的中心抽头再进入LM386芯片的3脚，该芯片是功率放大集成芯片，通过调节1、8脚之间的电阻R9和电容C9的大小，进而调节功率放大倍数。

最后信号从5脚输出，经电容C12连接到扬声器。

外围的R11、RP2支路构成大环路电压并联负反馈电路，稳定输出端的电压信号，减小非线性失真。

电路所用元器件清单如表3-1所示：

表3-1元器件清单

序号

标称

名称

规格

序号

标称

名称

规格

1

ZL

驻极体

3V

14

R1

电阻器

200Ω/0.125W

2

BL

喇叭

8Ω/0.5W

15

R2

可调电阻器

100K/0.125W

3

C1

电解电容器

1000uF/25V

16

R3

电阻器

5.1K/0.125W

4

C2

电解电容器

100uF/25V

17

R4

电阻器

51K/0.125W

5

C3

电容器

103

18

R5~R8

电阻器

100K/0.125W

6

C4

电解电容器

4.7uF/25V

19

R9

可调电阻器

100K/0.125W

7

C5

电解电容器

10uF/25V

20

R10

电阻器

100Ω/0.125W

8

C6~C7

电解电容器

4.7uF/25V

21

R11

电阻器

1M/0.125W

9

C8

电容器

103

22

RP1

可调电阻器

10K/0.125W

10

C9

电解电容器

10uF/25V

23

RP2

可调电阻器

100K/0.125W

11

C10~C11

电解电容器

0.1uF/25V

24

IC1A

集成运放

LM324

12

C12

电解电容器

220uF/25V

25

IC1B

集成运放

LM324

13

C13

电容器

104

26

IC2

集成运放

LM386

3.3功能电路的设计、制作与调试

3.3.1前置放大电路的设计

一、前置放大电路的方案比较

方案一：

利用三极管实现前置放大。

三极管是一个电流控制型器件，具有电流放大作用，利用其电流的放大能力来实现电压放大，调试工作量大，放大器性能参数受环境温度影响大，所用元器件较多，设计较复杂。

方案二：

利用集成运放实现前置放大。

运算放大器的内部实际上是经过优化设计后的三极管或者场效应管电路，它的开环增益非常高，可以通过在外围增加少量器件实现信号放大，使用方便，调试简单，对噪声和干扰的抑制能力也很强，频率特性也得到改善。

经比较，故选择方案二。

二、主要元器件参数选择依据

1、运算放大器选择型号：

LM324

见2.3.3关于LM324简介。

2、由LM324构成的前置放大器外围元器件的选择

（1）反相比例放大电路的基本关系式

前置放大电路第一级采用反相比例放大电路，其基本电路如图3-5所示：

图3-5基本反相比例放大电路

图中，被称为反馈电阻，被称为输入电阻，被称为平衡电阻。

该电路基本关系式为：

（3.1）

式中，为闭环放大倍数，有时用表示，记为分贝（dB）；为输入信号；为输出信号。

（3.2）

式中，F为反馈系数。

（3.3）

式中，为集成运放开环差模输入电阻，通用集成运放一般在（20KΩ~10MΩ）之间；为集成运放开环输出电阻，通用集成运放在数十欧姆至数百欧之间。

为考虑、、F影响的反馈电阻最佳值。

（3.4）

（3.5）

式中，为放大电路的输入电阻。

（3.6）

式中，为放大电路的输出电阻；A为集成运放的开环放大倍数。

（3.7）

式中，为闭环带宽；GBW为开环增益带宽积，其值等于单位增益带宽。

（2）单电源反相比例放大电路

由集成运放组成的反相放大器一般为双电源供电，即对称的正、负两组电源，但本设计要求采用+12V单电源供电。

采用单电源供电时，需在同相输入端加入即6V的中点偏置电压，其静态（）输出电压。

当时，输出电压在的基础上随反相变化而不失真的放大。

实际设计的单电源供电反相放大器结构如图3-6所示：

图3-6单电源反相比例放大电路

1）确定电源电压VCC

根据设计要求，额定输出功率Pout≥0.5W，负载RL=8Ω，由得

U有效=2V，Up-p=2U有效=5.6V；输出交流信号的峰值，静态时输出电压，输出最大值。

设计要求取，则。

LM324集成运放，当时饱和输出电压，，输出波形不会产生饱和失真，满足要求。

2）选择、、

及的分压阻值的选择综合两方面因素考虑：

①稳定性：

、阻值越小，稳定性越好，即中点偏置电压受负载电阻的影响就越小，但阻值太小，能耗增大；

②能耗：

、阻值越大，该支路的电流就会越小，在其上的能量损耗就越小，但阻值太大，其中点偏置电压受负载电阻的影响就越大，即稳定性变差。

由于本例中偏置电路的负载为集成运放的差模输入电阻，其值很大，故为耗电小，应使、支路电流小，取，为高频滤波电容，取的电解电容。

3）选择电压放大倍数、反馈电阻、输入电阻、输入耦合电容、输出耦合电容

①电压放大倍数的选择

由于放大通道的最小输入正弦信号电压的峰峰值，则系统整机放大倍数，考虑到后级功放电压放大倍数可在20~200倍调整，故本级电压放大倍数取。

由式（3.2）得

由式（3.7）得闭环带宽，查LM324集成运放产品手册得，则，故满足设计要求。

由式（3.7）可知，闭环放大倍数越大，反馈系数F越小，闭环带宽越窄。

通常的取值范围在0.1~100为宜。

②反馈电阻的选择

由式（3.3）得，反馈电阻，查LM324集成运放手册得，，则，取系列值51kΩ。

③输入电阻的选择

由式（3.1）得，输入电阻，通常输入电阻和反馈电阻的取值为1kΩ~1MΩ，并尽可能通过选择小阻值的方法最大。

当阻值超过1MΩ时很难保证阻值的稳定性，而且阻值的绝对误差较大。

从提高的准确度考虑，和的阻值以1kΩ~100kΩ为宜。

④输入耦合电容和输出耦合电容的选择

输入输出耦合电容的主要作用是隔直通交，使前后级静态工作点不相互影响。

输入耦合电容值由下式决定

（3.8）

式中，f为放大电路下限截止频率，一般取10Hz；为信号源内阻，通常在100Ω以下，可忽略不计，取零值；为运放反相输入电阻，本例为。

由上式得，取系列值4.7uF/25V，选用铝电解电容。

通常放大电路输出耦合与输入耦合取一致，故选用4.7uF/25V铝电解电容。

（3）单电源同相电压跟随器

单电源同相电压跟随器结构如图3-7所示：

图3-7单电源同相电压跟随器

其输出电压等于输入电压，且跟随输入电压变化相位一致，故称为同相电压跟随器。

利用其输入阻抗高，输出阻抗低的特点，使前级放大电路和后级功放电路阻抗匹配。

由于采用单电源供电，、串联支路提供的中点偏置电压，、阻值选择方法同、，取。

为前置放大电路的输出电容，亦可看作同相电压跟随器的输入电容，故其值由式（3.8）得；同理为本级放大电路的输出电容，亦可看作下一级功放电路的输入电容，故其值由式（3.8）得，式中为电压输出幅度调节电位器，一般取值为10kΩ，为功放输入电阻，查LM386集成功放手册，则。

但为了使元件参数一致性，故取、、为4.7uF/25V铝电解电容。

（4）电源退耦电路

电源退耦电路如图3-8所示：

图3-8电源退耦电路

其主要作用是滤除由电源引入的高、低频干扰信号。

其中，、为功放电源退耦电容，滤除低频干扰，由于功放电源输出电流较大，故一般取220uF~1000uF为宜，本例为滤波效果好，取1000uF/25V电解电容。

通常电解电容的耐压要大于电源电压的2倍以上，故本例所有电解电容的耐压都取25V。

滤除高频干扰，一般取0.01~0.1uF的瓷介电容为宜，本例取0.1uF（即104），一般瓷介电容的耐压都在63V以上，故在图3-2的原理图中只标其电容量如104。

注：

、在焊接时距离LM386的电源6脚尽可能近，这样退耦效果好。

、为前置放大电路电源退耦电容，滤除低频干扰，由于前置放大电路电源输出电流较小，故一般取47uF~220uF为宜，本例取100uF/25V电解电容。

滤除高频干扰，一般取0.01~0.1uF的瓷介电容为宜，本例取0.01uF（即103）。

注：

、在焊接时距离LM324的电源4脚尽可能近，这样退耦效果好。

电阻作用是隔离功放与前置放大电路，取值尽量小，保证功耗小，故取。

经测试电阻两端的压降U=0.2V，则流过的电流，则的功耗，故取。

由于电路中的电流最大，功耗也最大，故电路中其他电阻也都取1/8W的标准电阻。

3、驻极体及其负载电阻值的选择

驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。

驻极体话筒必须提供直流电压才能工作，因为其内部有场效应管。

具体内部结构如图3-9所示：

图3-9驻极体话筒内部结构

驻极体话筒由声电转换系统和场效应管两部分组成。

典型外